Краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме практической работы

Практическая работа 11, 12

«Типовые узлы и устройства вычислительной техники»

Цель работы:изучение типовых логических элементов. Типовые комбинационные цифровые устройства. Последовательные цифровые устройства.

Студент должен

уметь:

— использовать типовые средства вычислительной техники и программного обеспечения в профессиональной деятельности

знать:

— взаимодействие аппаратного и программного обеспечения ЭВМ.

Краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме практической работы

Компьютер — это устройство, предназначенное для обработки и преобразования информации. Долгое время его называли электронной вычислительной машиной (ЭВМ), цифровой вычислительной машиной (ЦВМ) или электронной цифровой вычислительной машиной (ЭЦВМ)

Первая электронная цифровая вычислительная машина, или программируемый калькулятор LNIAC была создана в Пенсильванском университете под руководством Д. Мочли и П.Эккерта в 1945 г. На роль первой машины претендуют также разработанный в начале 1940-х гг. Дж. Атанасопым и К. Берри специализированный калькулятор ABC и предназначенный для расшифровки кодов немецкой шифровальной машины.

В1451 г. под руководством С.А.Лебедева была создана норная советская машина — малая электронная счетная машина (МЭСМ), а в начале 1953 г. — большая (БЭСМ), быстродействие которых оценивалось в 8000 операций/с. Все эти машины были ламповыми и впоследствии были отнесены к ЭВМ первого поколения. Этот период ознаменовался поиском инженерных решений для построения различных устройств.

Появление транзисторов позволило значительно усложнить структуру машин, относимых ко второму поколению. Появились так называемые индексные регистры, упрощающие доступ к массивам данных. В качестве оперативной начали использовать память на ферритовых сердечниках Управление вводом-выводом возлагалось на отдельные блоки, что позволило выполнять загрузку данных одновременно с арифметическими операциями, но потребовало специальных средств для синхронизации процессов.

В этот же период были созданы первые языки программирования высокого уровня: Фортран, Алгол, Кобол. К машинам второго поколения относятся советские машины «Урал», «Минск-22», «Минск-32», БЭСМ-2 и др.

Интегральные схемы позволили еще больше усложнить машину и увеличить её мощность. Получило распространение конвейерное выполнение команд, начала применяться параллельная обработка, в устройствах управления стали использовать принцип микропрограммирования. Появился стандартный интерфейс для подключения периферийных устройств. Именно в это время начали выпускать машины серии IBM/360 (370) и ЕС ЭВМ, с появлением которых и связан термин «поколение ЭВМ».

В дальнейшем к ЭВМ третьего поколения стали относить любые машины, построенные на интегральных схемах малой и средней интеграции.

Машины на базе больших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС) стали называть машинами четвертого поколения. Память машин начали строить на полупроводниковых элементах. В тот же период была разработана концепция машины с сокращенным набором команд (RISC).

В 1980-х гг. появилась японская программа по созданию ЭВМ пятого поколения. Однако широкое распространение персональных компьютеров привело к падению интереса к «поколениям ЭВМ» и теперь этот термин выходит из употребления.

Сегодня компьютер стал устройством, способным хранить и обрабатывать огромное количество информации. В течение многих лет передача различных сведений производилась посреди том устой речи, графики, рукописных или печатных символов, а обработка информации осуществлялась исключительно мозгом человека. С появлением компьютера эта монополия нарушилась, что потребовало создания средств для загрузки и выгрузки информации в его обрабатывающую часть.

Были созданы периферийные устройства, предназначенные для преобразования информации (например, графического изображения в текст), кодирования и изменения формы представления кодированной информации. Это вызвано тем, что способы представления и обработки Информации в компьютере отличаются от тех, что используются мозгом человека и другими объектами внешнего мира.

Представленные в формализованном виде сведения часто называют данными, представление данных осуществляется квантами информации. Под квантом информации следует понимать, некоторый ее объем, принятый при описании объекта, а также при накоплении, хранении и обработке. Кванты информации различны для компьютера и внешнего мира.

В вычислительной технике часто используют и более узкое толкование термина «данные», служащее для различения обрабатываемой (исходные и конечные данные) и управляющей информации. Все обмены данными между различными устройствами компьютера, а также между компьютером и объектами внешнего мира осуществляются посредством сообщений. Сообщение– это произвольное количество информации, предназначенное для передами между различными устройствами, с явно или неявно указанными началом и концом.

Мы будем иметь дело в основном с дискретными сообщениями в них данные представлены конечным числом квантов информации в виде последовательности символов из некоторого набора, называемого алфавитом. Алфавит может включать в себя цифры, обычные буквы, специальные символы, символы псевдографики и т.п. Все дискретные сообщения кодируются, но независимо от способа кодирования важнейшими элементами их представления являются биты, байты, машинные слова и файлы.

Бит это наименьшая «порция» информации в двоичном виде. Он служит для внутреннего представления чисел и команд в машине и может принимать значениям «0» и «1».

В конце 1960-х IT. компьютеры стали применять не только для вычислений, но и для обработки буквенно-цифровой информации. Тогда потребовалось кодировать не только десятичные цифры, но и буквы, и различные специальные символы. Общее число используемых символов, подлежащих кодированию, в то время равнялось 256.

Для их кодирования потребовался слог (часть 1машинного слова), его и назвали байтом. Предназначенные исключительно для США машины IBM/360 использовали всего 128 разнообразных символов, поэтому в них слог (байт) состоял из семи бит. Расширение алфавита компьютера потребовало включить в него буквы национальных алфавитов, например русского. Так появился восьмибитовый байт.

Это привело к тому, что длину машинного слова, множество битов, рассматриваемых аппаратурой компьютера как единое целое, стали делать кратной байту. В одном машинном слове может размещаться команда или целое число. Длина машинного слова в настоящее время составляет 16, 32 или 64 бита (соответственно, 2, 4 или 8 байт).

Однако переменный формат команд в большинстве персональных компьютеров привел к тому, что термин «машинное слово» стал использоваться все реже.

Байты и машинные слона объединяются в файлы, имеющие определенную структуру. Обычно файл содержит название, некоторые характеристики, символы контроля и собственно команды (командный файл) и данные. Файл может иметь произвольный размер и быть представлен в нескольких форматах.

Файл является не «машинной» единицей информации, а скорее логической. В зависимости от вида хранящейся в файлах информации различают командные файлы (программы), текстовые, графические и т. п.

Структура самого компьютера за все время существования машин изменилась незначительно. Она по-прежнему основана на модели фон Неймана, во всяком случае, ее основная память состоит из отдельных ячеек с последовательными номерами (или «адресами»), в которых могут храниться как коды отдельных команд (программа), так и данных. Однако технологический прогресс привел к объединению нескольких узлов и устройств в одной микросхеме.

Упрощенная структура компьютера состоит из следующих основных узлов: арифметико-логическое устройство (АЛУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), управляющее устройство (УУ), устройство ввода данных в машину (УВв) и устройство вывода результатов проведенных расчетов (УВыв) Именно такую «пятиблочную» структуру имели вычислительные машины первого поколения. Помимо перечисленных устройств персональный компьютер имеет пульт ручного управления, предназначенный для включения машины и слежения за правильностью её работы.

Рис. 1.1. Упрощенная структура компьютера Теперь принято называть АЛУ с соответствующими схемами управления процессором, схемы для управления и подключения периферийных устройств — контроллерами и адаптерами, а передача информации между блоками компьютера осуществляется по шинам интерфейса. Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций над машинными словами, т.е. кодами,

находящимися в памяти и поступающими в АЛУ для обработки. Кроме того, оно выполняет различные операции по управлению вычислениями.

Оперативное запоминающее устройство, или оперативная память, хранит коды машинных слов (команд и данных) в своих ячейках. Эти ячейки нумеруются, а номер ячейки называется адресом Машина использует хранимую в ОЗУ информацию для организации вычислительного процесса. Информация попадает в ОЗУ из устройства ввода или из внешнего запоминающего устройства (ВЗУ).

Внешняя память позволяет хранить большие объемы информации, но обладает меньшим быстродействием по сравнению с ОЗУ. Втечение всего процесса обработки информация поступает в АЛУ только из ОЗУ, а результаты выполнения программы выдаются на устройство вывода после окончания обработки. Точно так же информация из ВнЗУ, прежде чем принять участие в обработке, должна быть предварительно переписана в ОЗУ.

Устройство управления служит для автоматического управления вычислительным процессом; оно формирует сигналы управления на все устройства компьютера, преобразуя команды программы в управляющие сигналы. Если узел управления совмещен с АЛУ, то такое объединенное устройство называют центральным процессором (ЦП).

Он связан с основной памятью (ОП),состоящей из ОЗУ и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), или постоянной памяти, предназначенной для хранения программ ввода-вывода, и управления различными устройствами ввода и вывода (или периферийными устройствами) посредством шины, называемой часто общей шиной (ОШ). Такая общая шина состоит из нескольких подшин: адреса, данных и управления. Мы будем их называть просто шинами.

В персональных машинах для экономии места на системной плате (т.е. плате, на которой расположены процессор, память и разъемы для подключения периферийных устройств) шины адреса и данных иногда выполняют в виде одной разделяемой во времени шины; тогда адрес и данные по ней передаются только поочередно.

Помимо ЦП и ОШ компьютер содержит множество периферийных устройств, подключающихся к ОШ с помощью контроллеров, адаптеров, шинных мостов.

В персональном компьютере (а в последнее время и в компьютерах других типов) основная память состоит из двух частей — постоянной и оперативной. В очень небольшой по современным понятиям (она достигает нескольких мегабайт) постоянной памяти хранится программа начальной загрузки, называемая BIOS (Basic Input-Output System). Эта информация «зашита» в памяти, т. е. хранится постоянно.

Оперативная память в момент включения компьютера не содержит никакой информации. При его включении на все блоки подается сигнал установки в исходное «нулевое» состояние, начинают формироваться тактовые импульсы и компьютер начинает работать.

Чтобы понять, как работает компьютер, нужно знать, из каких элементов он состоит, т.е. что такое триггер, счетчик, регистр, логическая схема и т. п. Рассмотрим подробно основные понятия. Триггер представляет собой электронную схему, которая может находиться в одном из двух устойчивых состояний «0» и «1». Внешними сигналами можно переводить триггер из одного состояния в другое.

Регистр — это несколько определенным образом соединенных триггеров, т.е. можно записать двоичное слово в регистр, прочитать его, сдвинуть, инвертировать. Счетчик позволяет определить число поступивших на него сигналов. Он также строится на основе триггеров.

Логическая схема реализует определенную логическую функцию, т е формирует выходной сигнал при определенных комбинациях сигналов на ее входах.

Продолжим рассмотрение работы простейшего компьютера. Содержимое счетчика команд (СчК, его называют instruction pointer — IP) процессора передается по адресной шине на регистр адреса (РгА) основной памяти. В момент включения компьютера в счетчике команд всегда находится один и тот же начальный адрес.

Рис. 1.3. Передача команд из ОП в ЦП Таким образом, запрашивается содержимое ячейки памяти с этим начальным адресом, принадлежащим BIOS. Как правило, эта ячейка содержит код команды безусловного перехода, служащей для изменения содержимого счетчика команд. Этот код передается на регистр команд (РгК) процессора по шине данных. Содержимое ячейки памяти поступает на РгК, поскольку запрос к памяти произведен из счетчика команд; это обязательное требование для любого компьютера традиционной архитектуры.

Регистр команд процессора состоит из нескольких регистров – регистра кода операций (РгКОП) и регистров адресов процессора (РгАП). Часть слова (содержимого ячейки ОП, к которой произошло обращение), попавшая в регистр кода операции, передается в блок управления (БУ), вырабатывающий последовательность управляющих сигналов.

Когда выполняется команда безусловного перехода, вторая адресная часть слова, попавшая в один из регистров адреса процессора, под управлением сигналов с БУ передается вновь на счетчик команд. Эта команда одноадресная, т.е. ее адресная часть содержит только один адрес. На этом и завершается ее выполнение.

Блок управления формирует сигнал об окончании выполнения команды, а содержимое ячейки вновь передается на РгАд памяти, т.е. происходит запрос следующей команды.

Таким образом, процедура обращения к памяти повторяется. Содержимое ячейки памяти, к которой произведено повторное обращение, рассматривается в качестве новой команды, т.е. вновь загружается на РгК процессора. Обычно вторая команда служит для начала загрузки ОсП с магнитного диска; она уже не является командой безусловного перехода.

При ее выполнении под управлением кода операции (часть команды, попавшая на РгКодОП) вырабатываются иные управляющие сигналы, а содержимое первого регистра РгАП, представляющего собой часть РгК, передается на адресный регистр памяти и рассматривается в качестве адреса первого операнда.

Для ОЗУ безразлично, откуда пришел запрос — из счетчика команд или адресного регистра, поэтому в регистре данных (РгД) памяти слово формируется так же, как и раньше. Однако в процессоре оно помещается на первый регистр данных АЛУ, поскольку запрос этого слова поступил из адресного регистра РгАП. Затем блок управления формирует аналогичные сигналы для передачи на РгД памяти содержимого второго РгАП в результате содержимое ячейки памяти с адресом, находящимся в РгАЦ, поступает на второй регистр данных арифметического устройства.

Затем блок управления вырабатывает сигналы в зависимости от кода операции в РгКОП, подает их в АЛУ, которое выполняет соответствующую операцию, а ее результат помещает в выходной регистр-аккумулятор. После этого содержимое регистра-аккумулятора передается в ячейку памяти, адрес которой обычно находится в первом РгАдПр т.е. выполняется еще одно обращение к ОП. Информация из регистра-аккумулятора передается на регистр данных, а адрес ячейки из РгАП на адресную шину.

В зависимости от конструкции машины, числа адресов в выполняемой команде (адресности) и других особенностей, содержимое регистра-аккумулятора может сохраняться в нем, передаваться в ячейку ОП по адресу, находящемуся в первом или втором РгАП.

После сохранения содержимого регистра-аккумулятора к счетчику команд (СчК) добавляется длина текущей команды в байтах (часто говорят «единица»), чтобы обратиться к следующей ячейке памяти, и начинается новый цикл выполнения очередной команды.

Таким образом, выполнение программы происходит поступательно: каждый раз в машине реализуется лишь одна команда, попадающая в регистр команд из ОП. Чтобы увеличить, производительность компьютера, нужно либо повысить скорость выполнения команды, либо выполнять несколько последовательных команд одновременно.

Повышение скорости выполнения команды связано с улучшением технических характеристик и улучшением быстродействия всех компонентов, входящих в компьютер: ЦП, ОП, шин интерфейсов, устройств ввода-вывода. Но увеличение скорости выполнения команды принципиально ограничено: скорость распространения сигналов в машине не может превышать скорость света. Второй путь, заключающийся в и параллельном выполнении нескольких команд, более перспективен.

Программноеобеспечение (ПО) призвано ускорить и упростить этот процесс, а также организовать более полное использование аппаратных средств компьютера.

Обычно программные средства условно делят на три группы: операционные системы, программы технического обслуживания и пакеты прикладных программ.

Вся работа компьютера осуществляется под управлением операционной системы (ОС) комплекса программ, предназначенного для распределения ресурсов компьютера, управления режимами его работы, облегчения подготовки программ, организации их выполнения и взаимодействия пользователя с компьютером. В этот комплекс входят трансляторы с определенных языков программирования.

При работе компьютера возникает множество задач по планированию работы программ, распределению и защите памяти, управлению периферийными устройствами и т. п. Связь с ними осуществляется также при помощи программ ОС.

Обычно ОС имеет графический интерфейс, с помощью которого пользователь выбирает необходимые для него действия. В персональных компьютерах IBM PC таким графическим интерфейсом служит заставка одной из ОС Microsoft Windows, Linux, Solaris или др.

Программы технического обслуживания предназначены для упрощения трудоемкости при эксплуатации компьютера. В состав таких средств входят программы проверки работоспособности компьютера, диагностирования неисправностей, выявления имеющихся периферийных устройств и их состояния. В современных ПК эти программы входят в состав системы ввода-вывода BIOS и выполняются при включении компьютера в работу. (Программы технического обслуживания в мейнфреймах обычно представляют собой часть ОС.)

Пакеты прикладных программ это комплексы программ, предназначенные для решения часто встречающихся классов задач и расширения функций ОС.

Рандомно подобранные статьи с сайта:

Учебно-методические материалы по судейству. Жесты баскетбола


Похожие статьи:

admin