extracted_text:
Современные тенденции развития архитектуры ЭВМ.
Основу любого процессора составляет полупроводниковый вентильный элемент
транзистор. Принцип работы его известен из школьного курса физики. Транзистор
позволяет управлять электрическим сопротивлением проводника при помощи
электрического тока, проходящего через базу (биполярный транзистор), или
электрического напряжения, подаваемого на затвор (полевой транзистор). Если ввести
обратную связь, то есть подать часть выходного сигнала транзистора на его вход, то можно
заставить прибор работать в двух стабильных состояниях, которые соответствуют
логическим 0 и 1.
На основе двух транзисторов можно создать ячейку, информационная емкость которой
будет равна 1 биту. Восемь таких ячеек имеют информационную емкость, равную одному
байту. Легко подсчитать, сколько транзисторов должны иметь микросхемы, способные
хранить и обрабатывать информацию в сотни мегабайт. Причем для корректной работы
схемы все транзисторы должны работать синхронно.
А вот здесь начинаются ограничения. Электрон  носитель электрического заряда и, как
следствие, основной переносчик информации, хоть и является с точки зрения квантовой
физики частицей легкой, всетаки имеет некоторую массу, а следовательно и
инерционность. Его нельзя мгновенно остановить или мгновенно привести в движение.
Скорость одного конкретного электрона неизвестна. Можно говорить только об общих
статистических закономерностях поведения некоторой достаточно большой группы
электронов. А большая группа  это еще большая масса, для разгона или остановки
которой нужно время и энергия.
При движении любой заряженной частицы возникает электромагнитное поле. На создание
этого поля также расходуется энергия, которая в конечном счете приводит к нагреванию
кристалла, что тоже грозит неприятностями. Волновые и резонансные свойства
проводников на высоких частотах  отдельный вопрос, которого касаться не будем.
Поэтому существуют различные проекты по созданию транзистора без электрона, о
которых мы поговорим позднее.
Ну а пока потребность в более быстрых, дешевых и универсальных процессорах вынуждает
производителей постоянно наращивать число транзисторов в них. Однако этот процесс не
бесконечен. Поддерживать экспоненциальный рост этого числа, предсказанный Гордоном
Муром в 1973 году, становится все труднее. Специалисты утверждают, что этот закон
перестанет действовать, как только затворы транзисторов, регулирующие потоки
информации в чипе, станут соизмеримыми с длиной волны электрона(в кремнии, на котором сейчас строится производство, это порядка 10 нанометров). И произойдет это где
то между 2010 и 2020 годами. По мере приближения к физическому пределу архитектура
компьютеров становится все более изощренной, возрастает стоимость проектирования,
изготовления и тестирования чипов. Таким образом, этап эволюционного развития рано
или позно сменится революционными изменениями.
В результате гонки наращивания производительности возникает множество проблем.
Наиболее острая из них  перегрев в сверхплотной упаковке, вызванный существенно
меньшей площадью теплоотдачи. Концентрация энергии в современных микропроцессорах
чрезвычайно высока. Нынешние стратегии рассеяния образующегося тепла, такие как
снижение питающего напряжения или избирательная активация только нужных частей в
микроцепях малоэффективны, если не применять активного охлаждения.
С уменьшением размеров транзисторов стали тоньше и изолирующие слои, а значит,
снизилась и их надежность, поскольку электроны могут проникать через тенкие
изоляторы(туннельный эффект). Данную проблему можно решить снижением
управляющего напряжения, но лишь до определенных пределов.
Технология SOI(Silicon On Insulator) уменьшила емкость соединений и улучшила
характеристики транзисторов. Это позволило снизить управляющее напряжения, но
возросла и стоимость изготовления, увеличился процент брака, снизилась устойчивость
всей системы к ошибкам. Альтернативное направление  переход на арсенид галлия,
который позволяет получить более быстрые тарнзисторы Nтипа, однако, к сожалению,
столь же важные транзисторы Pтипа получаются более медленными, если не использовать
высокоэнергетические уровни, что делает их непригодными для массового производства.
Поэтому кремниевая технология должна пережить еще несколько поколений процессоров.
Еще одна проблема заключается в том, что со снижением размеров уменьшается скорость
срабатывания транзисторов и перестает соответствовать скорости распространения
сигнала по внутрисхемным соединениям. Более тонкие проводники, соединяющие
транзисторы, имеют и более высокое сопротивление, а значит и  неприемлимо высокую
задержку распространения сигнала. С каждым новым поколением процессоров пропускная
способность межэлементных соединений падала, поскольку возрастали сопротивление и
емкость. Эта проблема была отчасти решена путем использования многослойных
соединений. Например, у процессора Pentium 4 семь слоев разводки цепей, причем каждый
имеет собственный рисунок и расположен внутри изолирующего материала. В нем
оставляют "окна", которые заполняют металлом(медью), формируя электрические
соединения между слоями. Микропроцессор при этом делится на блоки, что ограничивает
сигналы локалбными маштабами блока и снижает задержки. Толстые проводники с малой задержкой сигнала соединяют компоненты, далеко отстоящие друг от друга, а тонкие
соседние компоненты.
В качестве материала межсоединений медь окончательно и бесповоротно придет на смену
алюминию, так как у нее ниже удельное сопротивление. Однако она подвержена диффузии
в кремнии, что потребует изоляции медных соединений. Возможно, на смену диоксиду
кремния придет какойнибудь иной изоляционный материал, например, синтезированный на
основе обычного стекла, что позволит снизить емкость межсоединений. Более
решительным шагом может стать использование в качестве межсоединений
сверхпроводящих материалов, но пока не найдено такого материала, который показал бы
нужные свойства в условиях температуры и тока, характерных для интегральных схем.
Другой подход  применение оптических внутрисхемных соединений, хотя здесь вступабт в
силу ограничения по размерам (волокна не должны быть тоньше длины волны света,
который они передают), к тому же требуется преобразование световых импульсов в
электрические и наоборот, что может серьезно снизить общую производительность.
Перспективными в данном направлении представляются результаты, полученные
британскими учеными: оперируя на атомном уровне, они смогли сделать некоторые
области кремниевой подложки светоизлучающими. Обычные светоизлучающие устройства
встроить в кремниевые чипы невозможно, но если для передачи данных использовать
"естественный" свет подложки, это позволит передавать сигналы быстрее и сделает чипы
еще более миниатюрными.
На сегодняшний день основное условие повышения производительности процессоров
 методы параллелизма. Как известно, микропроцессор обрабатывает последовательность
инструкций(команд), составляющих ту или иную программу. Если организовать
параллельное(то есть одновременное) выполнение инструкций, общая производительность
существенно вырастет. Решается проблема параллелизма методами конвейеризации
вычислений, применением суперскалярной архитектуры и предсказанием ветвлений.
 Конвейеризация  процесс, посредством которого различные фазы обработки
накладываются по времени одна на другую. Это означает разбиение инструкций на
отдельные операции и исполнение получившихся микроинструкций различными
элементами процессора. Однако разбиение инструкций и контроль за исполнением
каждого шага усложняет управляющие цепи и требует на каждом шаге памяти для
временного хранения промежуточных данных (конвейерные регистры).
 Дальнейшее развитие этой идеи  суперскалярная архитектура, позволяющая
выполнять ряд инструкций параллельно. Для этого часть транзисторов используется
в качестве "дублеров" отдельных частей процессора.  Ветвление инструкций подразумевает исполнение той части программы(ветви),
которая не следует непосредственно за последней исполненой инструкцией. Переход
на ту или иную ветвь может быть безусловным (выполняется всегда) или условным(в
зависимости от некоторого условия).
Теперь попробуем посмотреть по какому пути пойдет развитие архитектуры ЭВМ в
ближайшем будущем.
 Суперскалярная архитектура
Суперскалярные процессоры конца 90х годов могли исполнять до 46 инструкций за один
машинный цикл. На практике они выполняют в среднем 1,5 инструкции за такт.
"Продвинутые" суперскалярные процессоры (Advanced superscalar) смогут выполнять от 16
до 32 инструкций за такт. Чем это обернется на практике, пока сказать трудно, но и для
"суперскалярной" архитектуры существенным ограничением является поток
обрабатываемых данных.
В общем виде "продвинутая" суперскалярная архитектура состоит из 2448
высокооптимизированных конвейерных блоков(например, блоков, выполняющих операции
с плавающей точкой или обрабатывающих целые числа). Как и в простых суперскалярных
архитектурах, каждый блок получает свою собственную "резервацию"  временное место
хранения, где накапливается очередь инструкций, выполняемых данным блоком.
Для сокращения доступа к памяти предполагается использовать наряду с обычным кешем
так называемый "трассирующий" кеш, который объединяет логически смежные блоки в
физически смежные хранилища.
Более совершенное предсказание ветвлений  еще одна задача ближайшего будущего, и она
тесно связана с предсказанием адресации: процессор попытается предсказать адреса ячеек
памяти, которые будут затребованы последующими инструкциями, и вызвать их
содержимое заранее. Для того чтобы чнизить эффет задержки сигналов в соединениях,
предполагается сгруппировать их в кластеры.
 Суперспекулятивная архитектура
Эта архитектура подразумевает предсказание как ветвлений, так и данных. Это означает,
что предсказываются адреса ячеек памяти и хранящиеся в них величины. Один из способов
достичь этого  пошаговое предсказание: обнаружив постоянное приращение в величинах
данных и адресах памяти(шаги), можно "догадаться" о будущих величинах, используемых
вычислениях(такое может происходить в циклах или матрицах). Основное преимущество таких архитектур в том, что они не требуют изменений в
компиляторах, да и программный код должен выполняться быстрее. Они должны
выполнять по 10 инструкций за один машинный такт. С другой стороны, дизайн процессора
в этом случае более сложный, и то, что он не делится на блоки, может вызвать проблемы с
задержкой сигналов.
 Трассирующая архитектура
В обычных архитектурах иснтрукция представляет собой исполняемую единицу. В
трассирующих процессорах исполняемая единица  "трасса"  последовательность
инструкций. Каждый маршрут передается своему суперскалярному процессорному
элементу, апоминающему суперскалярный микропроцессор и имеющему собственный
набор локальных и глобальных регистров, что обеспечивает как внутримаршрутный, так и
межмаршрутный параллелизм.
Применение трассирующих процессоров способствует решению проблемы задержек
сигналов в межсоединениях, однако требует соответствующего кеша, что увеличивает его
архитектурную сложность. Более того, это никак не решает проблему увеличения скорости
обращения к памяти.

IRAM
Буква 'I' здесь означает 'intelligent'. Возможно, это один из наиболее радикальных шагов в
области архитектуры, направленный на ускорение доступа к памяти и снижения
энергопотребления. Согласно IRAM большая яасть RAM перемещается непосредственно
на чип, исключая необходимость в кеше. Низкое энергопотребление означает, что данная
архитектурабольше всего подходит для мобильных компьютеров. Однако тот факт, что
максимальное количество памяти, которое можно перенести на чип, составляет всего 96
Мбайт, лишает эту архитектуру надежд на широкое использование.
 Многопотоковый процессор
Данные процессоры по архитектуре напоминают трассирующие: весь чип делится на
процессорные элементы, напоминающие суперскалярный микропроцессор. В отличие от
трассирующего процессора, здесь каждый элемент обрабатывает инструкции различных
потоков в течение одного такта, чем достигается параллелизм на уровне потоков.
Разумеется, каждый поток иметт свой программный счетчик и набор регистров.
 Многоядерная архитектура Эта архитектура подразумевает интегрирование нескольких простых микропроцессорных
ядер на одном чипе. Каждое ядро выполняет свой поток инструкций. Каждое
микропроцессорное ядро значительно проще, чем ядро многопотокового процессора, что
упрощает проектирование и тестирование чипа. Но между тем усугубляется проблема
доступа к памяти, необходима замена компиляторов.
 "Плиточная" архитектура
Сторонники считают, что ПО должно компилироваться прямо в "железе", так как это даст
максимальный параллелизм. Такой подход требует достаточно сложных компиляторов,
которые пока еще не созданы.
Процессор в данном случае состоит из множества "плиток"(tiles), каждая из которых имеет
собственное ОЗУ и связана с другими "плитками" в своеобразную решетку, узлы которой
можно включать и отключать. Очередность выполнения инструкций задается ПО.
 Многоетажная архитектура
Здесь речь идет не о логической, а о физической структуре. Идея состоит в том, что чипы
должны содержать вертикальные "штабеля" микроцепей, изготовленных по технологии
тонкопленочных транзисторов, заимствованной из производства TFTдисплеев. При этом
относительно длинные горизонтальные межсоединения превращаются в короткие
вертикальные, что снижает задержку сигнала и увеличивает производительность
процессора. Идея "трехмерных" чипов уже реализована в виде работающих образцов
восьмиэтажных микросхем памяти. Вполе возможно, что она приемлима и для
микропроцессоров, и в недалеком будущем все микрочипы будут наращиваться не только
горизонтально, но и вертикально.
Теперь рассмотрим архитектуры, которые основаны не на креимневых технологиях и
которые могут прийти к нему на смену:
 Оптическая(фотонная) архитектура
Оптические технологии давно уже используются в компьютеростроении. Например, это
различные оптические накопители информации, в системах коммуникации ипользуются
световые импульсы для передачи потоков информации. Идея использования света для
обработки информации стала осуществимой лишь недавно. Главной преградой для
оптических(фотонных) вычислений долгое время была невозможность обрабатывать
световую информацию без использования промежуточных электронных компонентов
между вводом и выводом. Открытие интерференции, основанной на оптической логике,
решило эту проблему. Оптическая логика основана на простом факте: когда встречаются два когерентных(с
постоянным фазовым сдвигом) световых импульса одинаковой интенсивности, они
образуют конструктивную интерференцию (интенсивность света удваивается) при
совпадении фаз и деструктивную(уничтожают друг друга) при фазовом сдвиге 180
градусов. Когда два импульса взаимодействуют в одном канале, на интерференцию
накладывается дифракция: за щелевой преградой образуются участки как конструктивной,
так и деструктивной интерференции. Таким образом, помещая детектор выходного сигнала
в соответствующих точках, можно получать нужные логические операции с изначальной
парой световых импульсов.
Главное преимущество оптической логики перед креимневой в том, что фотоны
распространяются гораздо быстрее электронов. Более того, в оптической логике данные
поддаются конвейеризации. Оптическим компонентам не нужно формировать выходной
сигнал до того, как они воспримут новый выходной сигнал, а значит, они могут
обрабатывать целый поток данных.
Оптическая логика имеет также и ряд недостатков, особенно если говорить о
последовательном соединении оптических затворов для построения компьютера. При
построении сложного компьютера простая оптическая модель переходит в область
голографии, и для построения логики тербуются разного рода световые шины. Еще более
сложная проблема вытекает из того факта, что световые импульсы, которые образует
оптичекая логика, могут иметь удвоенную интенсивность или иметь один из двух
возможных файловых сдвигов в зависимости от того, какой из двух вхлдных сигналов
включен. Это означает, что фазу и интенсивность импульсов необходимо контролировать
по всей системе посредством оптичеких усилителей. Если эти проблемы будут решены,
практичекая реализация оптических микропроцессоров на подложке из стекла или
пластика станет вполне возможной.
 Квантовая архитектура
В основе квантовых вычислений лежит атом  мельчайшая единица вещества. Квантовые
вычисления принципиально отличаются от традиционных, так как на атомном уровне в
силу вступают законы квантовой физики. Один из них  закон суперпозиции: квант может
находиться в двух состояниях одновременно. Обычно бит может иметь значение либо 1,
либо 0, а квантовы бит(qubit) может быть еденицей и нулем одновременно.
Атом  "удобное" хранилище информационных битов: его электроны могут занимать лишь
ограниченное число дискретных энергетических уровней. Так, атом высокого
энергетического уровня мог бы служить логической единицей, а низкого  логическим нулем. Очевидным недостатком здесь является нестабильность атома, поскольку он легко
меняет энергетический уровень в зависимости от внешних условий.
Поскольку управлять энергетическим уровнем одного атома нереально, предполагается
использовать длинные молекулы (цепи из миллиардов атомов) таким образом, чтобы
величину их содержимого можно было менять путем бомбардировки первого атома в цепи
лазерным лучем. Длинные молекулы тоже весьма нестабильны, и их надо хранить при
сверхнизкой температуре. Да и сбор данных требует весьма сложного оборудования, так
что до массового производства подобных систем еще далеко.
 Нейроархитектура
Для решения некоторых задач требуется создание эффективной системы искусственного
интеллекта, которая могла бы обрабатывать информацию, не затрачивая много
вычислительных ресурсов. Мозг и нервная система живых организмов позволяют решать
задачи упраления и эффективно обрабатывать сенсорную информацию, а это огромный
плюс для создаваемых вычислительных систем. Именно это послужило предпосылкой
создания искусственных вычислительных систем на базе нейронных систем живого мира.
Создание компьютера на основе неронных систем живого мира базируется на теории
перцептронов, разработчиком которой был Розенблатт. Он предложил понятие
перцептрона  искусственной нейронной сети, которая может обучаться распознаванием
образов.
Перспективность создания компьютеров по теории Розенблатта состоит в том, что
структуры, имеющие свойства мозга и нервной системы, имеют ряд особенностей, которые
помогают при решении сложных задач:
1. Параллельность обработки информации.
2. Способность к обучению.
3. Способность к автоматической классификации.
4. Высокая надежнлсть.
5. Ассоциативность.
Нейрокомпьютеры(биокомпьютерф)  это совершенно новый тип вычислительной техники.
Их можно строить на базе нейрочипов, которые функционально ориентированы на
конкретный алгоритм, на решение конкретной задачи. Для решения задач разного типа
требуется нейронная сеть разной топологии(топология  специальное расположение
вершин, в данном случае нейрочипов и пути их соединения).
Нейронные вычисления отличаются от классических представлением и обработкой
информации. Любая задача ставиться как поиск соответствия между множествами входных и выходных данных, представляемых в виде векторов nмерного пространства,
принадлежащего некоторой предметной области. Входные вектора подаются на входные
нейроны, а выходная реакция снимается с выходов элементов нейронной сети. При этом
вычислительные процессы представляют собой параллельные взаимодействия между
нейронами через нейронные связи и преобразование данных в нейронах. Соответствие
между входными воздействиями и выходной реакцией устанавливается через процедуру
обучения, которая определяется для каждой модели нейронных сетей отдельно.
Возможность обучения нейронных сетей является важнейшей особенностью нейросетевого
подхода к построению систем обработки информации.
Архитектура компьютера
Архитектура компьютера  это описание его организации и принципов функционирования
его структурных элементов. Включает основные устройства ЭВМ и структуру связей
между ними.
Обычно, описывая архитектуру ЭВМ, особое внимание уделяют тем принципам ее
организации, которые характерны для большинства машин, относящихся к описываемому
семейству, а также оказывающие влияние на возможности программирования.
Поскольку от архитектуры компьютера зависят возможности программирования на нем,
поэтому при описании архитектуры ЭВМ уделяют внимание описанию команд и памяти.
Аналоговые и цифровые вычислительные машины
В зависимости от вида перерабатываемой информации вычислительные машины
подразделяют на два основных класса: аналоговые и цифровые.
Аналоговый компьютер – это вычислительная машина, оперирующая информацией,
представленной в виде непрерывных изменений некоторых физических величин. При этом
в качестве физических переменных выступают сила тока электрической цепи, угол
поворота вала, скорость и ускорение движения тела и т.п. Используя тот факт, что многие
явления в природе математически описываются одними и теми же уравнениями,
аналоговые вычислительные машины позволяют с помощью одного физического процесса
моделировать различные другие процессы.
Цифровой компьютер – это вычислительная машина, оперирующая информацией,
представленной в дискретном виде. В настоящее время разработаны методы численного
решения многих видов уравнений, что дало возможность решать на цифровых
вычислительных машинах различные уравнения и задачи с помощью набора простых
арифметических и логических операций. Поэтому если аналоговые вычислительные
машины обычно предназначены для решения определенного класса задач, т.е. являются специализированными, то цифровой компьютер, как правило, универсальное
вычислительное средство. Наибольшее распространение получили электронные
вычислительные машины, выполненные с использованием новейших достижений
электроники.
Поколения компьютеров  история развития вычислительной техники
Фотографии к статье взяты с проекта Wikipedia
В короткой истории компьютерной техники выделяют несколько периодов на основе того,
какие основные элементы использовались для изготовления компьютера. Временное
деление на периоды в определенной степени условно, т.к. когда еще выпускались
компьютеры старого поколения, новое поколение начинало набирать обороты.
Можно выделить общие тенденции развития компьютеров:
1. Увеличение количества элементов на единицу площади.
2. Уменьшение размеров.
3. Увеличение скорости работы.
4. Снижение стоимости.
5. Развитие программных средств, с одной стороны, и упрощение, стандартизация
аппаратных – с другой.
Нулевое поколение. Механические вычислители
Предпосылки к появлению компьютера формировались, наверное, с древних времен,
однако нередко обзор начинают со счетной машины Блеза Паскаля, которую он
сконструировал в 1642 г. Эта машина могла выполнять лишь операции сложения и
вычитания. В 70х годах того же века Готфрид Вильгельм Лейбниц построил машину,
умеющую выполнять операции не только сложения и вычитания, но и умножения и
деления. В XIX веке большой вклад в будущее развитие
вычислительной техники сделал Чарльз Бэббидж.
Его разностная машина, хотя и умела только
складывать и вычитать, зато результаты вычислений
выдавливались на медной пластине (аналог средств
вводавывода информации). В дальнейшем описанная
Бэббиджем аналитическая машина должна была
выполнять все четыре основные математические
операции. Аналитическая машина состояла из
памяти, вычислительного механизма и устройств вводавывода (прямо таки компьютер …
только механический), а главное могла выполнять различные алгоритмы (в зависимости от
того, какая перфокарта находилась в устройстве ввода). Программы для аналитической
машины писала Ада Ловлейс (первый известный программист). На самом деле машина не
была реализована в то время изза технических и финансовых сложностей. Мир отставал от
хода мыслей Бэббиджа.
В XX веке автоматические счетные машины конструировали Конрад Зус, Джорж Стибитс,
Джон Атанасов. Машина последнего включала, можно сказать, прототип ОЗУ, а также
использовала бинарную арифметику. Релейные компьютеры Говарда Айкена: «Марк I» и
«Марк II» были схожи по архитектуре с аналитической машиной Бэббиджа.
Первое поколение. Компьютеры на электронных лампах (194х1955)
Быстродействие: несколько десятков тысяч операций в секунду.
Особенности:
 Поскольку лампы имеют существенные
размеры и их тысячи, то машины имели
огромные размеры.
 Поскольку ламп много и они имеют свойство
перегорать, то часто компьютер простаивал из
за поиска и замены вышедшей из строя лампы.
 Лампы выделяют большое количество тепла,
следовательно, вычислительные машины требуют специальные мощные
охладительные системы.
Примеры компьютеров: Колоссус – секретная разработка британского правительства (в разработке принимал
участие Алан Тьюринг). Это первый в мире электронный компьютер, хотя и не оказавший
влияние на развитие компьютерной техники (изза своей секретности), но помог победить
во Второй мировой войне.
Эниак. Создатели: Джон Моушли и Дж. Преспер Экерт. Вес машины 30 тонн. Минусы:
использование десятичной системы счисления; множество переключателей и кабелей.
Эдсак. Достижение: первая машина с программой в памяти.
Whirlwind I. Слова малой длины, работа в реальном времени.
Компьютер 701 (и последующие модели) фирмы IBM. Первый компьютер, лидирующий на
рынке в течение 10 лет.
Второе поколение. Компьютеры на транзисторах (19551965)
Быстродействие: сотни тысяч операций в секунду.
По сравнению с электронными лампами использование транзисторов позволило уменьшить
размеры вычислительной техники, повысить надежность, увеличить скорость работы (до 1
млн. операций в секунду) и почти свести на нет теплоотдачу. Развиваются способы
хранения информации: широко используется магнитная лента, позже появляются диски. В
этот период была замечена первая компьютерная
игра.
Первый компьютер на транзисторах TX стал
прототипом для компьютеров ветки PDP фирмы
DEC, которые можно считать родоначальниками
компьютерной промышленности, т.к появилось
явление массовой продажи машин. DEC выпускает
первый миникомпьютер (размером со шкаф).
Зафиксировано появление дисплея.
Фирма IBM также активно трудится, производя уже транзисторные версии своих
компьютеров.
Компьютер 6600 фирмы CDC, который разработал Сеймур Крей, имел преимущество над
другими компьютерами того времени – это его быстродействие, которое достигалось за
счет параллельного выполнения команд.
Третье поколение. Компьютеры на интегральных схемах (19651980) Быстродействие: миллионы операций в секунду.
Интегральная схема представляет собой электронную схему, вытравленную на кремниевом
кристалле. На такой схеме умещаются тысячи транзисторов. Следовательно, компьютеры
этого поколения были вынуждены стать еще мельче, быстрее и
дешевле.
Последнее свойство позволяло компьютерам проникать в
различные сферы деятельности человека. Изза этого они
становились более специализированными (т.е. имелись
различные вычислительные машины под различные задачи).
Появилась проблема совместимости выпускаемых моделей
(программного обеспечения под них). Впервые большое
внимание совместимости уделила компания IBM.
Было реализовано мультипрограммирование (это когда в
памяти находится несколько выполняемых программ, что дает
эффект экономии ресурсов процессора).
Дальнейшее развитие миникомпьютеров (PDP11).
Четвертое поколение. Компьютеры на больших (и сверхбольших) интегральных
схемах (1980…)
Быстродействие: сотни миллионов операций в секунду.
Появилась возможность размещать на одном кристалле не одну интегральную схему, а
тысячи. Быстродействие компьютеров увеличилось значительно. Компьютеры продолжали
дешеветь и теперь их покупали даже отдельные личности, что ознаменовало так
называемую эру персональных компьютеров. Но отдельная личность чаще всего не была
профессиональным программистом. Следовательно, потребовалось развитие программного
обеспечения, чтобы личность могла использовать компьютер в соответствие со своей
фантазией. В конце 70х – начале 80х популярностью
пользовался компьютера Apple, разработанный
Стивом Джобсом и Стивом Возняком. Позднее в
массовое производство был запущен персональный
компьютер IBM PC на процессоре Intel.
Позднее появились суперскалярные процессоры,
способные выполнять множество команд
одновременно, а также 64разрядные компьютеры.
Пятое поколение?
Сюда относят неудавшийся проект Японии (хорошо описан в Википедии). Другие
источники относят к пятому поколению вычислительных машин так называемые
невидимые компьютеры (микроконтроллеры, встраиваемые в бытовую технику, машины и
др.) или карманные компьютеры.
Также существует мнение, что к пятому поколению следует относить компьютеры с
двухядерными процессорами. С этой точки зрения пятое поколение началось примерно с
2005 года.
Типы компьютеров: персональные, микроконтроллеры, серверы, мейнфреймы и др.
Фотографии к статье взяты с проекта Wikipedia
Персональные компьютеры, знакомые большинству людей, являются далеко не
единственным типом вычислительных машин.
Обычно компьютеры классифицируют по производительности и способу использования.
Персональные компьютеры (ПК)
Различают стационарные и портативные (ноутбуки).
Для персональных компьютеров обязательно наличие монитора и ряда других
периферийных устройств. В блоке ПК находятся материнская (системная) плата,
процессор, различная память (ОЗУ, жесткий диск), устройства вводавывода, интерфейсы
периферийных устройств и др.
ПК хорошо расширяемы. К ним легко подключаются различные дополнительные
устройства. На персональные компьютеры можно устанавливать широкий спектр
различного программного обеспечения.
Игровые компьютеры По сравнению с персональными вычислительными машинами у игровых компьютеров
увеличены мультимедийные возможности (звук, видео, интерактивность), но существуют
ограничения на объем программного обеспечения, а также возможность дальнейшего
расширения (подключения новых устройств). У игровых компьютеров не предполагается
наличие монитора и жесткого диска.
В качестве примера игрового компьютера можно привести Sony
PlayStation.
Цены на игровые компьютеры обычно ниже, чем на персональные.
Карманные компьютеры
Похожи на персональные компьютеры, но меньше их по размеру
(представляют собой «наладонники»). Обычно используются как
электронные ежедневники или для чтения
электронных книг.
Микроконтроллеры
Микроконтроллеры устанавливаются на различные бытовые и
технические устройства (сотовые телефоны, стиральные машины,
принтеры, телевизоры, автомобили и др.). Они предоставляют человеку возможность
управления устройством.
Микроконтроллер, не смотря на свои размеры, является
полноценным вычислительным устройством, т.к. имеет
память, процессор и средства вводавывода. Программа для
микроконтроллера обычно устанавливается его
производителем, при этом отсутствует возможность ее
изменения в дальнейшем.
Микроконтроллеры производятся в огромных количествах
(большими партиями).
Серверы
Серверы отличаются от ПК лишь своей мощностью (серверы мощнее) и необязательностью
присутствия монитора и др. периферийных устройств. Используются в сетях. У серверов обычно увеличены объемы памяти (ОЗУ и жесткий диск)
и установлены высокоскоростные сетевые интерфейсы. На сервере
хранят данные и программы (выделяют файловый сервер и сервер
приложений). Процессор сервера обычно занимается управлением
пользователями и правами для доступа к данным. Вычисления
производятся на компьютерахклиентах.
Мейнфреймы
Мейнфреймы представляют собой большие компьютеры (с комнату), производящие
централизованную обработку данных больших объемов. Пользователи получают доступ
через терминалы (клавиатура+монитор) и/или ПК, в основном предназначенные для ввода и
вывода информации. Количество подключаемых терминалов обычно составляет несколько
сотен.
Мейнфреймы характеризуются высокой надежностью.
Мощность мейнфреймов хоть и больше чем у ПК и
серверов, но не намного. Зато они обладают высокой
скоростью процессов вводавывода и имеют увеличенный
размер постоянной памяти.
Мейнфреймы достаточно дорого стоят (в пределах миллиона долларов). Используются в
больших организациях (банки, аэропорты, правительственные учреждения).
Суперкомпьютеры
Суперкомпьютеры – это очень мощные системы (мощный процессор), которые зародились
в 60х годах. Используются для решения задач, которые требуют сложных вычислений
больших объемов (например, изучение космоса, составление прогноза погоды). Стоят
десятки миллионов долларов.
Рабочие станции
Рабочие станции, как и персональные компьютеры,
предназначены для одного пользователя, однако, более
мощные и могут выполнять более сложные операции. История персональных компьютеров
С 1975 г. в США было начато серийное производство
персональных компьютеров (ПК). Это событие часто
называют второй информационной революцией (первой
информационной революцией считается появление
печатного станка и книгопечатания – 1445 г.). ПК появился
на базе мини и микро ЭВМ для обеспечения персональных
вычислений, т.е. для работы специалиста в той или иной
предметной области на своем рабочем месте. За дисплей
ПК смог сесть пользователь – непрофессионал в
программировании. С 1981 г. стали выпускаться
персональные ЭВМ, имеющие блочномодульную конструкцию. Эти простые в
эксплуатации и сравнительно дешевые машины предназначались для потребителей, не
обладающих знаниями в области вычислительной техники и программирования. Широкое
распространение миниЭВМ в начале 1970х гг. определялось необходимостью приблизить
компьютер к пользователю. МиниЭВМ устанавливались на предприятиях и в
организациях, где использование больших ЭВМ было экономически невыгодным.
Таким образом, ПК – это компьютер, предназначенный для индивидуального
использования. В настоящее время это мощный универсальный компьютер; он успешно
работает как дома, так и на рабочих местах в офисах, легко подключается к различным
вычислительным сетям.
Основные критерии отнесения компьютера к классу ПК – малые размеры, отсутствие
необходимости в обслуживании, низкая цена, функциональная универсальность и простота
модернизации.
Так как технической основой ПК служит микропроцессор, то именно их развитие
определило смену поколений персональных ЭВМ:
1. 8разрядный микропроцессор (1975 – 1980 гг.);
2. 16разрядный (1981 – 1985 гг.);
3. 32разрядный (1986 – 1992 гг.);
4. 64разрядный (1993 г. – по настоящее время).
Важную роль в развитии ПК сыграло появление компьютера IBM PC, произведенного
корпорацией IBM (США) на базе микропроцессора Intel8086 в 1981 г. Этот персональный компьютер занял ведущее место на рынке себе подобных. Его основное преимущество –
так называемая открытая архитектура, благодаря которой пользователи могут расширять
возможности приобретенной ЭВМ, добавляя различные периферийные устройства и
модернизируя компьютер. В дальнейшем другие фирмы начали создавать свои ПК, но
компьютер IBM PC стал неким стандартом в классе персональных компьютеров. В наши
дни более 85% всех продаваемых ПЭВМ базируется на архитектуре IBM PC.
По назначению ПК классифицируют на бытовые, общего назначения и профессиональные.
Бытовые и общего назначения ПЭВМ предназначены для массового потребителя, поэтому
они должны быть достаточно дешевыми, надежными и иметь, как правило, простую
базовую конфигурацию. ПК используют в домашних условиях для развлечений
(видеоигры), обучения и др. Вместе с тем архитектура этих машин позволяет подключать
их к каналам связи, расширять набор периферийного оборудования. Такие компьютеры
также используются для работы с текстом, решения научных и инженерных задач. На ПК
общего назначения работают, прежде всего, пользователинепрофессионалы. Поэтому
такие компьютеры снабжены развитым программным обеспечением, включающим
операционные системы, трансляторы с алгоритмических языков, пакеты прикладных
программ.
Профессиональные ПЭВМ применяются в научной сфере для решения сложных
информационных и производственных задач, где требуются высокое быстродействие,
эффективная передача больших массивов информации, достаточно большая емкость
оперативной памяти.
Благодаря подключению большого набора периферийных устройств, функциональные
возможности ПК значительно расширяются. Они могут работать в многозадачном режиме,
с алгоритмическими языками высокого уровня, в составе вычислительных сетей. По своим
функциональным возможностям многопроцессорные профессиональные ПЭВМ не только
приближаются к большим ЭВМ предыдущего поколения, но и вполне могут конкурировать
с ними.
Принципы фон Неймана (Архитектура фон Неймана)
В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили
новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В последствие на основе этих
принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних
поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и
сегодня. По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других
ученых и сформулировать на их основе принципиально новое.
Принципы фон Неймана
1. Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах.
Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что
устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические
операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.
2. Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой,
состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за
другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало
тому, что мы сегодня называем программированием.
3. Память компьютера используется не только для хранения данных, но и
программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной
системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных
ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.
4. Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы.
В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот
принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.
5. Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря
на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать
возможность перехода к любому участку кода.
Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже
не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало
возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень
простой.
Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было хранимой в памяти
программы) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы
перепрограммировать машину (установить перемычки подругому) мог потребоваться
далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться
годы, однако они работают на миллионах компьютеров после несколько минутной
установки на жесткий диск.
Как работает машина фон Неймана Машина фон Неймана состоит из запоминающего устройства (памяти)  ЗУ, арифметико
логического устройства  АЛУ, устройства управления – УУ, а также устройств ввода и
вывода.
Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметикологическое
устройство. Все команды программы записываются в соседние ячейки памяти, а данные
для обработки могут содержаться в произвольных ячейках. У любой программы последняя
команда должна быть командой завершения работы.
Команда состоит из указания, какую операцию следует выполнить (из возможных операций
на данном «железе») и адресов ячеек памяти, где хранятся данные, над которыми следует
выполнить указанную операцию, а также адреса ячейки, куда следует записать результат
(если его требуется сохранить в ЗУ).
Арифметикологическое устройство выполняет указанные командами операции над
указанными данными.
Из арифметикологического устройства результаты выводятся в память или устройство
вывода. Принципиальное различие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройства
вывода (принтер, монитор и др.) поступают так, как удобно человеку.
УУ управляет всеми частями компьютера. От управляющего устройства на другие
устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает
информацию об их состоянии.
Управляющее устройство содержит специальный регистр (ячейку), который называется
«счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд
записывается адрес первой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое
ячейки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное
устройство — «Регистр команд». УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти
данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды.
Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.
В результате выполнения любой команды счетчик команд изменяется на единицу и,
следовательно, указывает на следующую команду программы. Когда требуется выполнить
команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какоето
количество адресов, то специальная команда перехода содержит адрес ячейки, куда
требуется передать управление.
Изображения, использованные в статье
Архитектура машины фон Неймана
Основные принципы работы компьютера
Компьютер – это техническое средство преобразования информации, в основу работы
которого заложены те же принципы обработки электрических сигналов, что и в любом
электронном устройстве:
1. входная информация, представленная различными физическими процессами, как
электрической, так и неэлектрической природы (буквами, цифрами, звуковыми
сигналами и т.д.), преобразуется в электрический сигнал;
2. сигналы обрабатываются в блоке обработки;
3. с помощью преобразователя выходных сигналов обработанные сигналы
преобразуются в неэлектрические сигналы (изображения на экране).
Назначение компьютера – обработка различного рода информации и представление ее в
удобном для человека виде. С позиции функционального назначения компьютер – это система, состоящая из 4х
основных устройств, выполняющих определенные функции: запоминающего устройства
или памяти, которая разделяется на оперативную и постоянную, арифметикологического
устройства (АЛУ), устройства управления (УУ) и устройства вводавывода (УВВ).
Рассмотрим их роль и назначение.
Запоминающее устройство (память) предназначается для хранения информации и команд
программы в ЭВМ. Информация, которая хранится в памяти, представляет собой
закодированные с помощью 0 и 1 числа, символы, слова, команды, адреса и т.д.
Под записью числа в память понимают размещение этого числа в ячейке по указанному
адресу и хранение его там до выборки по команде программы. Предыдущая информация,
находившаяся в данной ячейке, перезаписывается. При программировании, например, на
языке Паскаль или Си, адрес ячейки связан с именем переменной, которое представляется
комбинацией букв и цифр, выбираемых программистом.
Под считыванием числа из памяти понимают выборку числа из ячейки с указанным
адресом. При этом копия числа передается из памяти в требуемое устройство, а само
число остается в ячейке.
Пересылка информации означает, что информация читается из одной ячейки и
записывается в другую.
Адрес ячейки формируется в устройстве управления (УУ), затем поступает в устройство
выборки адреса, которое открывает информационный канал и подключает нужную ячейку.
Числа, символы, команды хранятся в памяти на равноправных началах и имеют один и тот
же формат. Ни для памяти, ни для самого компьютера не имеет значения тип данных. Типы
различаются только при обработке данных программой. Длину, или разрядность, ячейки
определяет количество двоичных разрядов (битов). Каждый бит может содержать 1 или 0.
В современных компьютерах длина ячейки кратна 8 битам и измеряется в байтах.
Минимальная длина ячейки, для которой можно сформировать адрес, равна 1 байту,
состоящему из 8 бит.
Для характеристики памяти используются следующие параметры:
1. емкость памяти – максимальное количество хранимой информации в байтах;
2. быстродействие памяти – время обращения к памяти, определяемое временем
считывания или временем записи информации. Арифметикологическое устройство (АЛУ). Производит арифметические и логические
действия.
Следует отметить, что любую арифметическую операцию можно реализовать с
использованием операции сложения.
Сложная логическая задача раскладывается на более простые задачи, где достаточно
анализировать только два уровня: ДА и НЕТ.
Устройство управления (УУ) управляет всем ходом вычислительного и логического
процесса в компьютере, т.е. выполняет функции "регулировщика движения" информации.
УУ читает команду, расшифровывает ее и подключает необходимые цепи для ее
выполнения. Считывание следующей команды происходит автоматически.
Фактически УУ выполняет следующий цикл действий:
1. формирование адреса очередной команды;
2. чтение команды из памяти и ее расшифровка;
3. выполнение команды.
В современных компьютерах функции УУ и АЛУ выполняет одно устройство, называемое
центральным процессором.
Устройство процессора и его назначение
Описание и назначение процессоров
На самом деле то, что мы сегодня называем процессором, правильно называть
микропроцессором. Разница есть и определяется видом устройства и его историческим
развитием.
Первый процессор (Intel 4004) появился в 1971 году.
Внешне представляет собой кремневую пластинку с миллионами и миллиардами (на
сегодняшний день) транзисторов и каналов для прохождения сигналов.
Назначение процессора – это автоматическое выполнение программы. Другими
словами, он является основным компонентом любого компьютера.
Устройство процессора Ключевыми компонентами процессора являются арифметикологическое
устройство (АЛУ), регистры и устройство управления. АЛУ выполнят основные
математические и логические операции. Все вычисления производятся в двоичной системе
счисления. От устройства управления зависит согласованность работы частей самого
процессора и его связь с другими (внешними для него) устройствами. В регистрах
временно хранятся текущая команда, исходные, промежуточные и конечные данные
(результат вычислений АЛУ). Разрядность всех регистров одинакова.
Кэш данных и команд хранит часто используемые данные и команды. Обращение в кэш
происходит намного быстрее, чем в оперативную память, поэтому, чем он больше, тем
лучше.
Схема процессора
Работа процессора
Работает процессор под управлением программы, находящейся в оперативной памяти.
(Работа процессора сложнее, чем это изображено на схеме выше. Например, данные и
команды попадают в кэш не сразу из оперативной памяти, а через блок предварительной выборки, который не изображен на схеме. Также не изображен декодирующий блок,
осуществляющий преобразование данных и команд в двоичную форму, только после чего с
ними может работать процессор.)
Блок управления помимо прочего отвечает за вызов очередной команды и определение ее
типа.
Арифметикологическое устройство, получив данные и команду, выполняет указанную
операцию и записывает результат в один из свободных регистров.
Текущая команда находится в специально для нее отведенном регистре команд. В
процессе работы с текущей командой увеличивается значение так называемого счетчика
команд, который теперь указывает на следующую команду (если, конечно, не было
команды перехода или останова).
Часто команду представляют как структуру, состоящую из записи операции (которую
требуется выполнить) и адресов ячеек исходных данных и результата. По адресам
указанным в команде берутся данные и помещаются в обычные регистры (в смысле не в
регистр команды), получившийся результат тоже сначала оказывается в регистре, а уж
потом перемещается по своему адресу, указанному в команде.
Характеристики процессора
Тактовая частота процессора на сегодняшний день измеряется в гигагерцах (ГГц), Ранее
измерялось в мегагерцах (МГц). 1МГц = 1 миллиону тактов в секунду.
Процессор «общается» с другими устройствами (оперативной памятью) с помощью шин
данных, адреса и управления. Разрядность шин всегда кратна 8 (понятно почему, если мы
имеем дело с байтами), изменчива в ходе исторического развития компьютерной техники и
различна для разных моделей, а также не одинакова для шины данных и адресной шины.
Разрядность шины данных говорит о том, какое количество информации (сколько байт)
можно передать за раз (за такт). От разрядности шины адреса зависит максимальный
объем оперативной памяти, с которым процессор может работать вообще.
На мощность (производительность) процессора влияют не только его тактовая частота и
разрядность шины данных, также важное значение имеет объем кэшпамяти.
Изображения, использованные в статье
Схема процессора Оперативная память компьютера (ОЗУ, RAM)
Раздел:
Архитектура компьютера
Сокращенно оперативную память компьютера называют ОЗУ (оперативное
запоминающее устройство) или RAM (random access memory — память с произвольным
доступом).
Название RAM более точно отражает строение и назначение устройства.
Назначение ОЗУ
 Хранение данных и команд для дальнейшей их передачи процессору для обработки.
Информация может поступать из оперативной памяти не сразу на обработку
процессору, а в более быструю, чем ОЗУ, кэшпамять процессора.
 Хранение результатов вычислений, произведенных процессором.
 Считывание (или запись) содержимого ячеек.
Особенности работы ОЗУ
Оперативная память может сохранять данные лишь при включенном компьютере. Поэтому
при его выключении обрабатываемые данные следует сохранять на жестком диске или
другом носителе информации. При запуске программ информация поступает в ОЗУ,
например, с жесткого диска компьютера. Пока идет работа с программой она присутствует
в оперативной памяти (обычно). Как только работа с ней закончена, данные
перезаписываются на жесткий диск. Другими словами, потоки информации в оперативной
памяти очень динамичны.
ОЗУ представляет собой запоминающее устройство с произвольным доступом. Это
означает, что прочитать/записать данные можно из любой ячейки ОЗУ в любой момент
времени. Для сравнения, например, магнитная лента является запоминающим устройством
с последовательным доступом.
Логическое устройство оперативной памяти
Оперативная память состоит их ячеек, каждая из которых имеет свой собственный адрес.
Все ячейки содержат одинаковое число бит. Соседние ячейки имеют последовательные
адреса. Адреса памяти также как и данные выражаются в двоичных числах. Обычно одна ячейка содержит 1 байт информации (8 бит, то же самое, что 8 разрядов) и
является минимальной единицей информации, к которой возможно обращение. Однако
многие команды работают с так называемыми словами. Слово представляет собой область
памяти, состоящую из 4 или 8 байт (возможны другие варианты).
Типы оперативной памяти
Принято выделять два вида оперативной памяти: статическую (SRAM) и динамическую
(DRAM). SRAM используется в качестве кэшпамяти процессора, а DRAM
непосредственно в роли оперативной памяти компьютера.
SRAM состоит из триггеров. Триггеры могут находиться лишь в двух состояниях:
«включен» или «выключен» (хранение бита). Триггер не хранит заряд, поэтому
переключение между состояниями происходит очень быстро. Однако триггеры требуют
более сложную технологию производства. Это неминуемо отражается на цене устройства.
Вовторых, триггер, состоящий из группы транзисторов и связей между ними, занимает
много места (на микроуровне), в результате SRAM получается достаточно большим
устройством.
В DRAM нет триггеров, а бит сохраняется за счет использования одного транзистора и
одного конденсатора. Получается дешевле и компактней. Однако конденсаторы хранят
заряд, а процесс зарядкиразрядки более длительный, чем переключение триггера. Как
следствие, DRAM работает медленнее. Второй минус – это самопроизвольная разрядка
конденсаторов. Для поддержания заряда его регенерируют через определенные
промежутки времени, на что тратится дополнительное время.
Вид модуля оперативной памяти Внешне оперативная память персонального компьютера представляет собой модуль из
микросхем (8 или 16 штук) на печатной плате. Модуль вставляется в специальный разъем
на материнской плате.
По конструкции модули оперативной памяти для персональных компьютеров делят
на SIMM (одностороннее расположение выводов) и DIMM (двустороннее
расположение выводов). DIMM обладает большей скоростью передачи данных, чем
SIMM. В настоящее время преимущественно выпускаются DIMMмодули.
Основными характеристиками ОЗУ являются информационная емкость и
быстродействие. Емкость оперативной памяти на сегодняшний день выражается в
гигабайтах.
Изображения, использованные в статье
Общая схема модуля оперативной памяти
Устройство и принцип работы магнитных дисков
Раздел:
Архитектура компьютера
Номер темы:
4
Магнитные диски компьютера служат для длительного хранения информации (она не
стирается при выключении ЭВМ). При этом в процессе работы данные могут удаляться, а
другие записываться.
Выделяют жесткие и гибкие магнитные диски. Однако гибкие диски в настоящее время
используются уже очень редко. Гибкие диски были особенно популярны в 8090х годах
прошлого столетия.
Гибкие диски (дискеты), называемые иногда флоппидисками (Floppy Disk), представляют
собой магнитные диски, заключенные в квадратные пластиковые кассеты размером 5,25
дюйма (133 мм) или 3,5 дюйма (89 мм). Гибкие диски позволяют переносить документы и
программы с одного компьютера на другой, хранить информацию, делать архивные копии
информации, содержащейся на жестком диске.
Информация на магнитный диск записывается и считывается магнитными головками вдоль
концентрических дорожек. При записи или чтении информации магнитный диск вращается вокруг своей оси, а головка с помощью специального механизма подводится к нужной
дорожке.
Дискеты размером 3,5 дюйма имеют емкость 1,44 Мбайт. Данный вид дискет наиболее
распространен в настоящее время.
В отличие от гибких дисков жесткий диск позволяет хранить большие объемы
информации. Емкость жестких дисков современных компьютеров может составлять
терабайты.
Первый жесткий диск был создан фирмой IBM в 1973 году. Он позволял хранить до 16
Мбайт информации. Поскольку этот диск имел 30 цилиндров, разбитых на 30 секторов, то
он обозначался как 30/30. По аналогии с автоматическими винтовками, имеющими калибр
30/30, этот диск получил прозвище "винчестер".
Жесткий диск представляет собой герметичную железную коробку, внутри которой
находится один или несколько магнитных дисков вместе с блоком головок чтения/записи и
электродвигателем. При включении компьютера электродвигатель раскручивает
магнитный диск до высокой скорости (несколько тысяч оборотов в минуту) и диск
продолжает вращаться все время, пока компьютер включен. Над диском "парят"
специальные магнитные головки, которые записывают и считывают информацию так же,
как и на гибких дисках. Головки парят над диском вследствие его высокой скорости
вращения. Если бы головки касались диска, то изза силы трения диск быстро вышел бы из
строя.
При работе с магнитными дисками используются следующие понятия.
Дорожка – концентрическая окружность на магнитном диске, которая является основой
для записи информации.
Цилиндр – это совокупность магнитных дорожек, расположенных друг над другом на всех
рабочих поверхностях дисков винчестера.
Сектор – участок магнитной дорожки, который является одной из основных единиц записи
информации. Каждый сектор имеет свой собственный номер. Кластер  минимальный элемент магнитного диска, которым оперирует операционная
система при работе с дисками. Каждый кластер состоит из нескольких секторов.
Изображения, использованные в статье
Устройство и принцип работы магнитного диска
Логическая структура магнитных дисков
Раздел:
Архитектура компьютера
Номер темы:
5
Любой магнитный диск имеет логическую структуру, которая включает в себя следующие
элементы:

загрузочный сектор;  таблицы размещения файлов;
 область данных.
Загрузочный сектор (Boot Record) занимает сектор с номером 0. В нем содержится
небольшая программа IPL2 (Initial Program Loading 2), с помощью которой компьютер
определяет возможность загрузить операционную систему с данного диска.
Особенностью винчестера является наличие помимо загрузочного сектора еще одной
области  главного загрузочного сектора (Master Boot Record). Дело в том, что единый
жесткий диск может быть разбит на несколько логических дисков. Для главного
загрузочного сектора на жестком диске всегда выделяется физический сектор 1. Этот
сектор содержит программу IPL1 (Initial Program Loading 1), которая при своем
выполнении определяет загрузочный диск.
Таблица размещения файлов используется для хранения сведений о размещении файлов
на диске. Для магнитных дисков обычно используются две копии таблиц, которые следует
одна за другой, и содержимое их полностью совпадает. Это делается на тот случай, если на
диске произошли какие либо сбои, то диск всегда можно "отремонтировать", используя
вторую копию таблицы. Если будут испорчены обе копии, то вся информация на диске
будет потеряна.
Область данных (Data Area) занимает основную часть дискового пространства и служит
непосредственно для хранения данных.
Разделы жесткого диска
Раздел:
Архитектура компьютера
Обычно жесткий диск делят на несколько разделов. Это бывает удобно для хранения
файлов и является необходимым условием при установке нескольких операционных
систем на один физический жесткий диск компьютера.
Итак, раздел диска – это часть жесткого диска, используемая под определенные задачи:
файловую систему того или иного типа, область подкачки и т.п. Изменение содержимого и
файловой системы одного раздела никак не сказывается на других.
В Linux разделы диска принято именовать так: hda1, hda2, hda3 и т.д.  для первого (или
единственного) физического жесткого диска компьютера. Если на компьютере стоит несколько жестких дисков, то разделы второго будут
именоваться так: hdb1, hdb2, hdb3 и т.д. Третьего  hdс1, hdс2, hdс3 и т.д.
Основных разделов (primary partition) на каждом жестком диске может быть всего
четыре. Соответственно от hd_1 до hd_4. (Знак подчеркивания здесь употребляется для
обозначения буквы того или иного физического жеского диска).
Однако часто бывает так, что четырех разделов диска становится недостаточно. Поэтому
один из основных разделов диска объявляется расширенным (extended partition) и
разбивается на подразделы, начиная с hd_5 и далее.
Пример:
В данном примере на компьютере установлен один жесткий диск, имеющий четыре
основных раздела (хотя их может быть и меньше) – hda1, hda2, hda3, hda4. Последний
является расширенным и разбит на пять частей (hda5, hda6, hda7, hda8, hda9), суммарный
размер которых равен около 60 гигабайт.
На рисунке на графическом изображении жесткого диска расширенный раздел обведен
голубой рамкой.
Второй столбец таблицы – Filesystem – отражает тип файловой системы раздела. Для
разделов операционных систем семейства Windows используется файловая система NTFS
или Fat32. Для разделов Linux – ext3, ext2 или другие.
Раздел hda5, в данном случае, отведен на раздел подкачки (linuxswap) для систем Linux.
А вот раздел hda2 содержит поврежденный сектор. Определить это по изображению не
возможно, но поверьте так и было (хотя по тому что он скрыт — hidden  можно
догадаться). Изображения, использованные в статье
Разделы жесткого диска
Периферийные устройства персонального компьютера
Современные персональные компьютеры обычно имеют в своем распоряжении множество
периферийных устройств.
Периферийные устройства – это любые дополнительные и вспомогательные устройства,
которые подключаются к ПК для расширения его функциональных возможностей.
Рассмотрим некоторые из периферийных устройств.
Принтер (print  печатать) – устройство для вывода на печать текстовой и графической
информации. Принтеры, как правило, работают с бумагой формата А4 или А3. Наиболее
распространены на сегодняшний день лазерные и струйные принтеры, матричные принтеры
уже вышли из обихода.
В матричных принтерах печатающая головка состояла из ряда тонких металлических
иголок, которые при движении вдоль строки в нужный момент ударяли через красящую
ленту, и тем самым обеспечивали формирование символов и изображения. Матричные
принтеры обладали низкими скоростью и качеством печати.
В струйных принтерах краска под давлением выбрасывается из отверстий (сопел) в
печатающей головке и затем прилипает к бумаге. При этом формирование изображения
происходит как бы из отдельных точек  "клякс". Для струйных принтеров характерна
высокая стоимость расходных материалов.
В лазерных принтерах луч лазера, пробегая по барабану, электризует его, а
наэлектризованный барабан притягивает частицы сухой краски, после чего изображение
переносится с барабана на бумагу. Далее лист бумаги проходит через тепловой барабан и
под действием тепла краска фиксируется на бумаге. Лазерные принтеры обладают
высокими скоростью и качеством печати.
Плоттер (графопостроитель) – устройство для вывода на бумагу больших рисунков,
чертежей и другой графической информации. Плоттер может выводить графическую
информацию на бумагу формата А2 и больше. Конструктивно в нем может использоваться
или барабан рулонной бумаги, или горизонтальный планшет.
Сканер (scanner) – устройство, позволяющее вводить в компьютер графическую
информацию. Сканер при движении по картинке (лист текста, фотография, рисунок) преобразует изображение в числовой формат и отображает его на экране. Затем эту
информацию можно обработать с помощью компьютера.
Манипулятор мышь (mouse) – устройство, облегчающее ввод информации в компьютер.
Дисковод CDROM – устройство для чтения информации, записанной на лазерных
компактдисках (CD ROM – Compact Disk Read Only Memory, что в переводе означает
компактдиск с памятью только для чтения). На компактдисках можно хранить большое
количество информации (до 650 Мбайт). Такие диски используются для хранения
справочной информации, больших энциклопедий, баз данных, музыки, видеоинформации и
т.д.
Основной показатель для дисковода CDROM – это скорость считывания информации с
компактдиска.
Дисковод DVD является дальнейшим развитием лазерных технологий. В нем применяется
усовершенствованная технология использования лазерного луча для записи и чтения
информации с компактдисков. Аббревиатура DVD означает Digital Video Disk (цифровой
видеодиск) или в другой трактовке  Digital Versatile Disk (цифровой многоцелевой диск).
В отличие от дисков CDROM диски DVD могут использовать для работы обе
поверхности. Причем технология позволяет записывать на каждой из сторон два слоя
данных.
Контроллеры и шина
Раздел:
Архитектура компьютера
Для того, чтобы персональный компьютер мог работать, необходимо, чтобы в его
оперативной памяти находилась программа и данные, и между ними происходил обмен.
При работе программы часто бывает необходим ввод информации от пользователя или
вывод ее на экран. Такой обмен называется вводомвыводом. Для его осуществления
имеются два промежуточных звена:
1. Для каждого внешнего устройства ПК имеется электронная схема, которая им
управляет. Его называют контроллером или адаптером.
2. Все контроллеры или адаптеры взаимодействуют с микропроцессором и оперативной
памятью через системную магистраль передачи данных, которую называют шиной. Системная шина является каналом соединения микропроцессора, оперативной
памяти и интегральных устройств. Физически шина находится на материнской плате.
Для обмена данными с памятью и устройствами вводавывода служат разные компоненты
шины: взаимодействие микропроцессора с периферийными устройствами идет через шину
данных, а адресация памяти происходит при помощи шины адреса.
Шина персонального компьютера IBM PC XT была 8разрядной. Затем фирма IBM PC AT
ввела стандарт 16разрядной шины ISA. Все IBMсовместимые компьютеры перенимали
стандарт ISA. В 1987 г. появилась 32х разрядная шина для IBM PS/2, она называлась
MCA. Эта шина была несовместима со стандартной – ISA. В 1989 году появилась новая 32
х разрядная шина EISA, совместимая с ISA. Позже развилась концепция локальной шины,
повышающей быстродействие за счет установки к ней дополнительной шины. Популярным
стандартом стал PCI (64 разряда). AGPвидео шина работает на частоте процессора.
Клавиатура
Раздел:
Архитектура компьютера
Клавиатура предназначена для ввода информации в компьютер. На ней можно выделить
следующие группы клавиш:
 основную;
 вспомогательную;


группу клавиш управления курсором;
группу функциональных клавиш [F1] – [F12].
На основной части клавиатуры находятся алфавитноцифровые клавиши, причем
расположение латинских букв на клавиатуре IBM PC, как правило, такое же, как на
английской пишущей машинке, а букв кириллицы – как на русской пишущей машинке.
Часто при работе приходится многократно пользоваться одной и той же командой. Чтобы
заменить рутинный труд пользователя по вводу таких повторяющихся команд
используютсяфункциональные клавиши [F1] – [F12] (обычно используются только F1 –
F10), находящиеся в верхней части клавиатуры. Например, клавиша [F1] во всех
программах используется для вызова справки.
Клавиши управления курсором позволяют перемещать курсор в нужном направлении. ↑ ↓ ← →  служат для перемещения курсора соответственно вверх, вниз,
], [
], [
Клавиши [
влево и вправо.
], [
]
Клавиши [PageUp], [PageDown] служат для постраничного перемещения по экрану вверх и
вниз (например, перелистывание изображенного на экране текста).
Клавиши [Home] и [End] предназначены для перемещения курсора в начало и конец строк,
соответственно.
Клавиша [Delete] (delete – удаление) используется для удаления символа, на котором
находится курсор. При этом сам курсор остается на прежнем месте, а все символы справа
от курсора сдвигаются на одну позицию влево.
Клавиша [Insert] (insert – вставка) предназначена для перехода из режима вставки в режим
замены и обратно. В режиме вставки вводимые символы появляются на том месте, где
расположен курсор, а часть строки, расположенная справа от курсора, сдвигается при
каждом нажатии клавиши на одну позицию вправо. В режиме замены сдвига текста,
расположенного справа от курсора, не происходит, а вводимые символы появляются на
месте старых, затирая их.
Вспомогательная клавиатура обычно используется при работе с программами,
имеющими встроенный калькулятор, а также при вводе больших массивов чисел.
Цифровые клавиши на вспомогательной части клавиатуры совмещены с клавишами [Ins],
[Del], [Home], [End], [PgUp], [PgDn] и клавишами управления курсором. Кроме того,
здесь же расположена клавиша [Num Lock], служащая для переключения из цифрового
режима в режим управления курсором и обратно. При нажатии этой клавиши в правом
верхнем углу клавиатуры загорается индикатор, соответствующий надписи "Num Lock",
который указывает на перевод вспомогательной клавиатуры в цифровой режим.
Специальные клавиши клавиатуры. Кроме перечисленных клавиш на клавиатуре имеется
большое число специальных клавиш. Коротко рассмотрим назначение этих клавиш.
Клавиша [Enter] (ввод) предназначена для перевода курсора на начало следующей строки.
Кроме того, эта клавиша используется для ввода команд.
Клавиша [Shift] служит для ввода заглавных и других символов, располагающихся в
верхнем регистре клавиатуры.
Клавиша [Back Space] изображена стрелкой влево над клавишей [Enter]. При нажатии на
эту клавишу курсор передвигается на одну позицию влево и стирает символ, находящийся
в этой позиции. Клавиша [Esc] (escape – выход, спасение, побег), расположена в левом верхнем углу
клавиатуры и служит для отмены действий.
Чтобы передвинуть курсор на несколько (обычно, 4 или 8) позиций вправо, можно
воспользоваться клавишей табуляции [Tab].
Для того чтобы увеличить количество выполняемых с помощью функциональных клавиш
команд, используются клавиши:
[Ctrl] – от английского слова Control (управление);
[Alt] – от английского слова Alternative (альтернатива).
Эти клавиши так же, как и клавиша [Shift], предназначены для изменений значений других
клавиш. Они используются в комбинации с другими клавишами, и при этом выполняемая
программа может особым образом реагировать на эти комбинации.
Компактдиск
Раздел:
Архитектура компьютера
Номер темы:
12
 Компактдиски (CD) предназначены для хранения и переноса информации.
 CD представляют собой круг диаметром 12 сантиметров с отверстием в центре.
 Изготавливаются из отражающего материала, покрытого прозрачным защитным
слоем.
 Запись и считывание информации выполняется с помощью лазера. На отражающей
поверхности диска лазером создаются изменения, также лазером эти изменения
считываются. При считывании луч отслеживает неравномерности на поверхности
диска.
Форматы компактдисков эволюционировали от CDDA до CDR и CDRW популярных и
поныне. На сегодняшний день также распространены DVD и Blurayдиски. Несмотря на
то, что, например, диск DVD вмещает намного больше информации и имеет другие
преимущества, CD в определенных случаях куда удобнее. Например, если вам надо отдать
комуто ряд текстовых и графических файлов, общий размер которых не превышает примерно 600 МБ, то дешевле и проще записать их на CD.
Формат CDDA («compact disk – digital audio» – «компактдиск с цифровым звуком»)
использовался в производстве аудиозаписей.
Потом появился формат CDROM («compact disk – read only memory» – «компактдиск с
постоянной памятью»). Позже появились CDR и CDRW. Формат CDR, в отличие от CD
ROM, позволяет записывать данные уже после изготовления диска. Формат CDRW
предполагает многократную перезапись данных.
CD и магнитный диск имеют различия не только в способе чтения/записи, но и в
устройстве диска. В магнитном диске информация записывается на отдельных дорожках
окружностях, где самая короткая (маленькая) расположена ближе к центру, а самая
длинная (большая) – у самого края. При этом количество секторов на каждой дорожке
такое же как на других (хотя количество данных в каждом секторе одинаково). В
результате получается, что «плотность» записанных данных на внутренних дорожках выше,
чем на внешних. Поэтому скорость вращения диска не зависит от того, на какой дорожке
происходит чтение/запись, и она постоянна. Ведь даже если при чтении с внешней дорожки
головка проходит большее расстояние, чем при чтении с внутренней, всеравно за одно и
тоже время считывается одинаковое количество данных не зависимо от расположения
дорожки (т. к. данные на внешней более разреженные).
В отличие от магнитного диска на CD есть только одна спиралевидная дорожка. Она
начинается от внутренней части диска и по спирали закручивается до внешнего края диска.
Дорожка также разделена на одинаковые по количеству данных сектора, но, в отличие от
магнитного диска, на CD одинакова и плотность данных в секторах, т. е. сектора имеют
одинаковую длину. Значит, чтобы данные считывались с одинаковой скоростью диск
должен вращаться с разной скоростью. Чем ближе к центру читаются/записываются данные
лазерным лучом, тем быстрее должен вращаться диск, чем ближе к краю – тем медленнее.
[рисунок: сравнение магнитного диска и CD]
Изза особенностей своего устройства CD быстрее работают с непрерывными данными, чем
магнитные диски. В свою очередь, магнитные диски лучше работают с данными,
предполагающими произвольный доступ к ним (т. е. «разбросанными» по диску).
Нейрокомпьютеры, нейросети и нейроинформатика
Особенности нейрокомпьютеров можно свести к следующему:
1. Нейрокомпьютеры дают стандартный способ решения многих нестандартных задач.
И неважно, что специализированная машина лучше решит один класс задач. Важнее, что один нейрокомпьютер решит и эту задачу, и другую, и третью – и не надо каждый
раз проектировать специализированную ЭВМ – нейрокомпьютер сделает все сам и не
хуже.
2. Вместо программирования – обучение. Нейрокомпьютер учится – нужно только
формировать учебные задачники. Труд программиста замещается новым трудом –
учителя (тренера). Программист предписывает машине все детали работы, учитель –
создает «образовательную среду», к которой приспосабливается нейрокомпьютер.
Появляются новые возможности для работы.
3. Нейрокомпьютеры особенно эффективны там, где нужно подобие человеческой
интуиции – для распознавания образов (узнавания лиц, чтения рукописных текстов),
перевода с одного естественного языка на другой и т.п. Именно для таких задач
обычно трудно сочинить явный алгоритм.
4. Гибкость структуры: можно различными способами комбинировать простые
составляющие нейрокомпьютеров – нейроны и связи между ними. За счет этого на
одной элементной базе и даже внутри «тела» одного нейрокомпьютера можно
создавать совершенно различные машины. Появляется еще одна новая профессия –
«нейроконструктор» (конструктор мозгов).
5. Нейронные сети позволяют создать эффективное программное обеспечение для
высокопараллельных компьютеров. Для высокопараллельных машин хорошо
известна проблема: как их эффективно использовать – как добиться, чтобы все
элементы одновременно и без лишнего дублирования вычисляли чтонибудь
полезное? Создавая математическое обеспечение на базе нейронных сетей, можно
для широкого класса задач решить эту проблему.
Если перейти к еще более прозаическому уровню повседневной работы, то нейронные сети
– это всегонавсего сети, состоящие из связанных между собой простых элементов –
формальных нейронов. Значительное большинство работ по нейроинформатике посвящено
переносу различных алгоритмов решения задач на такие сети.
Ядром используемых представлений является идея о том, что нейроны можно
моделировать довольно простыми автоматами, а вся сложность мозга, гибкость его
функционирования и другие важнейшие качества определяются связями между нейронами.
Каждая связь представляется как совсем простой элемент, служащий для передачи
сигнала. Предельным выражением этой точки зрения может служить лозунг: «структура
связей – все, свойства элементов – ничто». Совокупность идей и научнотехническое направление, определяемое описанным
представлением о мозге, называется коннекционизмом (поанглийски connection – связь).
Как все это соотносится с реальным мозгом? Так же, как карикатура или шарж со своим
прототипомчеловеком – весьма условно. Это нормально: важно не буквальное
соответствие живому прототипу, а продуктивность технической идеи.
С коннекционизмом тесно связан следующий блок идей:
1. однородность системы (элементы одинаковы и чрезвычайно просты, все
определяется структурой связей);
2. надежные системы из ненадежных элементов и «аналоговый ренессанс»
использование простых аналоговых элементов;
3. «голографические» системы – при разрушении случайно выбранной части система
сохраняет свои полезные свойства.
Предполагается, что система связей достаточно богата по своим возможностям и
достаточно избыточна, чтобы скомпенсировать бедность выбора элементов, их
ненадежность, возможные разрушения части связей.
Коннекционизм и связанные с ним идеи однородности, избыточности и голографичности
еще ничего не говорят нам о том, так же такую систему научить решать реальные задачи.
Хотелось бы, чтобы это обучение обходилось не слишком дорого.
На первый взгляд кажется, что коннекционистские системы не допускают прямого
программирования, то есть формирования связей по явным правилам. Это, однако, не
совсем так. Существует большой класс задач: нейронные системы ассоциативной памяти,
статической обработки, фильтрации и др., для которых связи формируются по явным
формулам. Но еще больше (по объему существующих приложений) задач требует неявного
процесса. По аналогии с обучением животных или человека этот процесс мы также
называем обучением.
Обучение обычно строится так: существует задачник – набор примеров с заданными
ответами. Эти примеры предъявляются системе. Нейроны получают по входным связям
сигналы – «условия примера», преобразуют их, несколько раз обмениваются
преобразованными сигналами и, наконец, выдают ответ – также набор сигналов.
Отклонение от правильного ответа штрафуется. Обучение состоит в минимизации штрафа
как (неявной) функции связей.
Неявное обучение приводит к тому, что структура связей становится «непонятной»  не
существует иного способа ее прочитать, кроме как запустить функционирование сети. Становится сложно ответить на вопрос: «Как нейронная сеть получает результат?»  то
есть построить понятную человеку логическую конструкцию, воспроизводящую действия
сети.
Это явление можно назвать «логической непрозрачностью» нейронных сетей, обученных по
неявным правилам. В работе с логически непрозрачными нейронными сетями иногда
оказываются полезными представления, разработанные в педагогике и психологии, и
обращение с обучаемой сетью как с дрессируемой зверушкой или с обучаемым младенцем
– это еще один источник идей. Возможно, со временем возникнет такая область
деятельности – «нейропедагогика»  обучение искусственных нейронных сетей.
С другой стороны, при использовании нейронных сетей в экспертных системах на PC
возникает потребность прочитать и логически проинтерпретировать навыки, выработанные
сетью.
Итак, очевидно наличие двух источников идеологии нейроинформатики. Это
представления о строении мозга и о процессах обучения. Существуют группы
исследователей и научные школы, для которых эти источники идей имеют символическое,
а иногда даже мистическое или тотемическое значение.
Урок по теме "Архитектура ЭВМ"
 Мухаметшина Альфия Шакирзяновна, учитель информатики и математики
Разделы: Преподавание информатики
Цель урока:
Общеобразовательная: Сформировать понятие:
 об архитектуре ЭВМ: внешняя и внутренняя;
 основные принципы работы ЭВМ;
 магистральномодульный принцип построения;
 память;
 процессор;
 периферийные устройства. Развивающая: развитие гибкости мышления, умение выделить главную мысль из
высказанного. Воспитание внимательности и аккуратности.
План урока ( лекция рассчитана на 4 урока)
1. Организационный момент.
2. Актуализация опорных знаний, умений, навыков
3. Архитектура ЭВМ.
4. Принципы Джона фон Неймана.
5. Память.
6. Магистрально модульный принцип.
7. Процессор.
8. Программные средства ЭВМ.
9. Периферийные устройства.
 Ход урока:
На предыдущем уроке мы прошли историю развития ЭВМ. Вопрос: Что связывает картину
"Джоконда" и ЭВМ?
Ответ: Первый в мире эскизный рисунок тринадцатиразрядного десятичного
суммирующего устройства на основе колес с десятью зубцами принадлежит Леонардо да
Винчи(1452— 1519). По этим чертежам в наши дни фирма IBM в целях рекламы построила работоспособную
машину.
В 1822 г. англичанин Чарльз Бэббидж построил счетное устройство, которое назвал
разностной машиной. В эту машину вводилась информация на картах. Для выполнения
ряда математических операций в машине применялись цифровые колеса с зубьями. Десять
лет спустя Бэббидж спроектировал другое счетное устройство, гораздо более
совершенное, которое назвал аналитической машиной.
Архитектура ЭВМ
Современные ЭВМ имеют одну и ту же внутреннюю организацию, которую принято
назвать архитектурой ЭВМ. Любая ЭВМ – автоматическое устройство обработки
информации, все они сконструированы на основе электронных схем обработки
электрических сигналов. А принцип их работы основывается на законах физики,
математики и логики.
Мы различаем внешнюю архитектуру и внутреннюю архитектуру. Во внешнюю архитектуру входит то, что видят люди, которые используют машину для своих целей. Внутренняя
архитектура
– это то, из чего состоит машина и на чем основывается накопление, обработка и передача
информации внутри машины. В основе большинства современных и ранее разработанных
ЭВМ лежит так называемый принцип фон Неймана, названный в честь Джона фон Неймана, американского ученного (19031957), впервые изложивший принципиальные положения
архитектуры ЭВМ во IIой половине 40х годов.
Основные принципы:
1. ЭВМ состоит из процессора, памяти и внешних устройств.
2. Единственным источником активности ЭВМ является процессор, который управляет
программами, находящимися в памяти ЭВМ.
3. Память состоит из ячеек, каждая из которых имеет свой адрес. Каждая ячейка
хранит команду программы или некоторую единицу обрабатываемой информации.
4. В любой момент времени процессор выполняет одну команду программы, адрес
которой находится в специальном регистре процессора – счетчика программ.
5. Обработка информации проходит только в регистре процессора. Информацию в
процессор можно ввести из любой ячейки памяти или внешнего устройства и
набором.
6. В каждой программе зашифровано следующее предписание: из каких ячеек взять на
обработку информацию; какие совершить действия над информацией; в какие
ячейки памяти направить полученную информацию; как изменить содержимое
счетчика команд, чтобы знать, откуда брать следующую команду.
7. Процессор исполняет программу команду за командой в соответствии с изменением
содержимого счетчика команд в памяти, пока не получит команду остановиться.
Память Главный принцип хранения информации в ЭВМ состоит в том, что любая информация
кодируется в последовательность сигналов 2х типов (намагниченный и ненамагниченный),
которые соответствуют "0" и "1".
Главным хранилищем информации ЭВМ является память. Оперативная память
служит для хранения информации во время ее непосредственного использования или
обработки. После выключения питания компьютера информация в оперативной памяти
стирается. Долговременная память
служит для хранения информации на долгие сроки. После выключения питания
компьютера информация в долговременной памяти не стирается. Для долговременного
хранения информации используются магнитные носители (жесткие диски, гибкие диски,
лазерные компактдиски). Объем памяти – важнейшая характеристика оперативной и долговременной памяти, она
определяет максимальное количество информации, которая может храниться в
оперативной или в носителях долговременной памяти. Объем памяти состоит из ячеек,
которые нумеруются последовательными числами. Количество этих ячеек называется
объемом памяти ЭВМ. В современных ЭВМ одна ячейка содержит 1 байт информации.
Номер ячейки кодируется комбинацией из 16ти единиц и нулей. Номер ячейки называется
адресом.
Магистральномодульный принцип
Архитектура современных ПЭВМ основана на магистральномодульном принципе. Этот
принцип позволяет пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию
компьютера и производить при необходимости ее модернизацию.

Модульная организация системы опирается на магистральный принцип обмена
информацией. Системная шина – набор электрических линий, связывающих воедино
устройства ЭВМ и передающее сигналы между центральным процессором и
периферийными устройствами. Обмен информацией между отдельными устройствами
компьютера производиться между 3мя шинами (многопроводным линиям связи),
соединяющими все модули компьютера. Процессор выполняет арифметические и
логические операции, взаимодействует с памятью, управляет и согласует работу
периферийных устройств. Подключение отдельного модуля компьютера к магистрали на
физическом уровне обеспечивают контроллеры, на программном уровне – драйверы.
Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответствующее
устройство смогло принять этот сигнал и правильно отреагировать на этот сигнал. За
реакцию устройства процессор не отвечает, а отвечает только контроллер, поэтому
внешние устройства ЭВМ заменяемы. Разрядность шины данных определяется разрядность процессора, т.е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один
такт.
Данные по шине данных могут передвигаться от процессора к любому устройству. К
основным режимам работы процесса использования шины передачи данных можно отнести
следующие: запись, чтение данных с устройств ввода, из ОЗУ, пересылка данных на
устройства вывода.
 Процессор
Процессор
– центральное устройство компьютера; он выполняет находящиеся в оперативной памяти
команды программы и "общается" с внешними устройствами по средствам шины адреса,
данных и управления; алгоритм работы процессора состоит в последовательном
считывании команд из памяти и их выполнение. Можно выделить четыре этапа обработки
процессором команд:
1. Выборка по счетчику команд очередной команды.
2. Считывание и выполнение этой команды.
3. Увеличение счетчика команд на 1.
4. Считывание следующие команды.
Счетчик команд – место, где хранится адрес очередной выполняемой команды. В состав процессора входят следующие устройства:
 Устройство управления ( УУ),
 Арифметикологическое устройство (АЛУ),
 Регистры процессорной памяти.
 1. УУ – управляет работой всех устройств компьютера по заданной программе.
а) оно вызывает из памяти очередную команду программы и все участвующие в операции
числа;
б) отправляет их в АЛУ, а полученный результат пересылает в память.
2. АЛУарифметикологическое устройство предназначено для обработки данных. Оно
выполняет над числами и командами необходимые арифметические и логические
операции. Получив исходные данные и выполнив необходимые операции, АЛУ выдает
промежуточный или конечный результат, компьютер затем отправляет в ЗУ.
3. Регистры – это внутренняя память процессора.. Каждая из регистров служит своего рода
черновиком, используя который процессор выполняет расчеты и сохраняет промежуточные
результаты. У каждого регистра есть определенное назначение. В регистр – счетчик команд
(СчК) помещается адрес той ячейки памяти ЭВМ, в кмпьютере хранится очередная
исполняемая команда программы. В регистр команд (РК) помещается эта команда на
время ее исполнения. Есть регистры, в которые помещают исходные данные и результаты
выполнения команд. Полученный результат может быть переписан из регистра в ячейку
ОЗУ.
 Процессор состоит из устройства управления, которое управляет работой процессора с
помощью электрических сигналов, арифметикологического устройства, производящего
операции над данными, и регистров для временного хранения этих данных и результаты
операций над ними. Данные процессор считывает из ОЗУ. Туда же пересылает результат
действия над этими данными. У компьютеров 4го поколения функции центрального
процессора выполняет микропроцессор. Выполнение микропроцессором команды
предусматривает арифметические действия, логические операции, передача управления
(условная или безусловная), перемещение из одного места памяти в другое, координация
взаимодействия различных устройств ЭВМ. Процессоры характеризуются тактовой
частотой (число машинных операции, орабатываемых процессором за секунду),
разрядностью (число одновременно обрабатываемых битов).
 Программные средства ЭВМ Основные принципы программного управления:
1. ЭВМ может выполнять не только одну команду, но и длинные последовательности
команд (программы).
2. Каждая команда кодируется последовательностью "0" и"1" и помещается как и
число в одной ячейке оперативной памяти. Команда состоит из двух частей: кодовая
и адресная. Кодовые – какие действия должны быть выполнены. Адресные
расположение в памяти исходных данных и результатов.
Одна и та же последовательность "0" и "1", хранимая в ячейке памяти, может
распознаваться как число и как команда. Это второй принцип работы ЭВМ, т.е. принцип
хранения программы–
Программа последовательность указаний (инструкций) на понятном компьютеру языке,
задающие те или иные способы ввода, преобразования, предоставления информации.
Типы программ:
1. Прикладные – программы для решения задач во всевозможных областях
человеческой деятельности. Программы для пользователей, конструкторов,
дизайнеров Программы, трехмерное моделирование, анимация, векторные графики и
т.д.
2. Программы для всеобщего использования – программы, предназначенные для
создания, чтения и редактирования документов, содержащих определенную
информацию (графическую, текстовую, звуковую). Программы редактирования
текстов, распознавания речи, системы управления базами данных.
3. Программы познавательного и развлекательного назначения. Компьютерные игры,
мультимедийные энциклопедии и справочники.
4. Системные программы – программы обеспечения нормальной работы компьютера и
возможности выполнения прикладных программ. Операционные системы, программы
управления периферийными устройствами.
Различают:
1. Программы для всех пользователей.
2. Программы для продвинутых пользователей.
3. Инструментальные системы программирования. Интерпретатор – программа, позволяющая выполнять команды на языке
программирования, которые не были переведены на машинный язык.
Компилятор – программа, переводящая тексты программ с языка программирования на
машинный язык, понятный компьютеру.
Периферийные устройства
Устройства ввода:
Клавиатура (ввод текстовой и числовой информации)
Сканер (ввод графической информации с готового изображения)
Дигитайзер (графический планшет) Цифровой на фотоаппарат (ввод графической информации с натуры в память или на
гибкие магнитные диски).
Цифровая видеокамера (ввод видеоинформации непосредственно сразу в память
компьютера).
Микрофон (ввод звуковой информации).
MIDIклавиатура (ввод цифровой информации в память компьютера, потом компьютер
дешифрует эту информацию в звуковую с помощью звуковой карты).
Специализированные устройства ввода – вводят информацию от физических, медицинских
и других приборов для последующей обработки её в компьютере.
Устройства вывода:
Монитор (вывод информации, которую можно представить наглядно) Принтер  устройство вывода информации на бумагу или специальную пленку текстовой и
графической информации ( матричные, струйные, лазерные, многофункциональные,
цветные ).
Графопостроитель (плоттер) устройство вывода на бумагу больших и сложных чертежей,
графиков и диаграмм. Звуковые колонки (вывод информации, которую можно представить в форме звука)
 Устройства управления:
Клавиатура (устройство управления для перемещения по тексту при его редактировании) Мышь (устройство для быстрого перемещения курсора по экрану, для работы с графикой,
текстом, звуком, т.е. с мультимедиа).
Трекбол (шарик, помещенный в корпус и выполняющий функции мыши)
Сенсорная панель – устройство управления, используемое вместо мыши, управление
осуществляется при перемещении пальца по этой панели, щелчок клавиши мыши задается
постукиванием по площадке Джойстик (рукоятка с кнопками, перемещаемая по двум осям, устройство управления во
многих играх)
Устройства хранения и передачи информации:
Дискета (перезаписываемы магнитный носитель, позволяющий долговременно хранить
информацию небольшого объема)
Стримеры (хранение больших объемов информации на магнитной ленте)
Сменные жесткие диски, диски Бернулли, магнитооптические диски (эти диски позволяют
хранить информацию объемом до Тб) Компактные лазерные диски CDROM (одноразовая запись данных объемом до 650 Мб)
 Устройства коммуникации ( обмена информацией).
1. Сетевые карты (устройство связи, позволяющее соединить несколько компьютеров в
локальную сеть в пределах офиса, класс, кабинета) 2. Модемы (устройство связи, позволяющее соединить компьютер с глобальной сетью,
например, Internet, FIDO net, по телефонным, волоконнооптическим и др. каналам связи)

3. Контролёр сети устройство для подключения к локальной сети ,соединяющей
компьютеры в пределах офиса. Дает возможность свободного использования данных и
программ в пределах сети.

file_name: Современные тенденции развития архитектуры ЭВМ.docx

intro:
Основу любого процессора составляет полупроводниковый вентильный элемент -- транзистор. Принцип работы его известен из школьного курса физики. Транзистор позволяет управлять электрическим сопротивлением проводника при помощи электрического тока, проходящего через базу (биполярный транзистор), или электрического напряжения, подаваемого на затвор (полевой транзистор). Если ввести обратную связь, то есть подать часть выходного сигнала транзистора на его вход, то можно заставить прибор работать в двух стабильных состояниях, которые соответствуют логическим 0 и 1.
На основе двух транзисторов можно создать ячейку, информационная емкость которой будет равна 1 биту. Восемь таких ячеек имеют информационную емкость, равную одному байту. Легко подсчитать, сколько транзисторов должны иметь микросхемы, способные хранить и обрабатывать информацию в сотни мегабайт. Причем для корректной работы схемы все транзисторы должны работать синхронно.