Принципы построения компьютера. Программное обеспечение

1.

МК
Принципы построения компьютера.
Программное обеспечение

2.

МК
Принципы Неймана-Лебедева
Фундаментальные идеи (принципы)
компьютерных наук независимо
друг от друга сформулировали
Джон фон Нейман и Сергей
Алексеевич Лебедев.
!
Принцип
–
основное,
исходное положение какойнибудь
теории,
учения,
науки и пр.

3.

МК
Основоположники ЭВМ
Джон фон Нейман (1903-1957) –
американский
учёный,
сделавший
важный вклад в развитие математики и
физики. В 1946 г., анализируя сильные и
слабые стороны ЭНИАКа, совместно с
коллегами пришёл к идее нового типа
организации ЭВМ.
Сергей Алексеевич Лебедев (19021974) – главный конструктор первой
отечественной вычислительной машины
МЭСМ, автор проектов компьютеров
серии БЭСМ (Большая Электронная
Счётная Машина), и принципиальных
положений компьютера «Эльбрус».

4.

МК
Принципы Неймана-Лебедева
Сформулированные в середине прошлого века, базовые
принципы построения ЭВМ не утратили свою актуальность
и в наши дни.
1
состав основных компонентов вычислительной машины
принцип двоичного кодирования
2
5
6
3
принцип однородности памяти
4
принцип адресности памяти
принцип иерархической организации памяти
принцип программного управления

5.

МК
Функциональная схема
!
Устройство, способное производить автоматические
вычисления, должно иметь набор компонентов: блок
обработки данных, блок управления, блок памяти, блоки
ввода/вывода информации.
Устройство
вывода
1100101
11001
Память
110010111011000
ОЗУ, ПЗУ
110010111011000
110010111011000
Процессор
110010111011000
АЛУ, УУ
110010111011000
110010111011000
110010111011000
110010111011000
Внешняя
память
1100101
110001
Устройство
ввода
Информационные потоки
Управление процессами

6.

МК
Состав компонентов
Процессор – информационный центр. Управляет всеми
процессами и пропускает через себя все информационные
потоки.
Составные блоки процессора:
• арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет
обработку данных
• устройство управления (УУ) обеспечивает выполнение
программы и организует согласованное взаимодействие
всех узлов компьютера

7.

МК
Состав компонентов
Память
хранение исходных данных, промежуточных
величин и результатов обработки информации,
программы обработки информации
Внешняя
Внутренняя
предназначена для
ОЗУ
ПЗУ
длительного хранения
временное
программа
программ и данных
хранение программ начальной
в периоды между
и данных в
загрузки
сеансами обработки
процессе
компьютера
обработки
?
Кроме представленного деления памяти, различают
энергозависимую память и энергонезависимую. Какая
часть памяти является энергозависимой?

8.

МК
Указательные (координатные)
Мышь, джойстик, графический
планшет, сенсорный
ВВОД экран
Ввод графической информации
ИНФОРМАЦИИ
Сканер, фотоаппарат,
видеокамера
В
Ввод звуковой информации
Микрофон,КОМПЬЮТЕР
диктофон
Игровые устройства
Джойстик, руль, световой
пистолет
Алгоритмы обработки информации
Состав компонентов
П
Р
О
Ц
Е
С
С
О
Р

9.

МК
П
Р
О
Ц
Е
С
С
О
Р
Алгоритмы обработки информации
Состав компонентов
Устройства ввода/вывода
Дисковод, сетевая плата,
ВЫВОД
интерактивная
доска
Вывод графической информации
ИНФОРМАЦИИ
Принтер, графопостроитель,
монитор, проектор
ИЗ
Вывод звуковой информации
КОМПЬЮТЕРА
Колонки, наушники,
встроенный
динамик
Игровые устройства
Игровой контроллер (при
столкновении вибрирует)

10.

МК
Принцип двоичного кодирования
!
Вся информация, предназначенная для обработки на
компьютере (числа, тексты, звуки, графика, видео), а
также программы её обработки, представляются в виде
двоичного кода.
Выбор двоичной системы счисления обусловлен:
• простотой выполнения арифметических операций в
двоичной системе счисления
+}
• «согласованностью» с булевой логикой
{−,0,
• простотой технической реализации

11.

МК
Принцип однородности памяти
!
Команды программ и данные хранятся в одной и той же
памяти. Команды и данные отличаются только по
способу использования. Это утверждение называют
принципом однородности памяти.
Ячейка
Сегмент
Сегмент
Сегмент
Память
Сегмент

12.

МК
Принцип адресности памяти
!
Команды и данные размещаются в единой памяти,
состоящей из ячеек, имеющих свои номера (адреса).
Это принцип адресности памяти.
Адрес
сегмента
25F0:A3ED
Адрес ячейки
(в 16-ой СС)
Смещение
внутри
сегмента
?
Какой объем памяти отведен под запись адреса
ячейки?
?
Оцените максимально возможный объем памяти
компьютера, допускающего такую адресацию.

13.

МК
Принцип иерархичности памяти
Можно выделить два основных требования, предъявляемых
к памяти компьютера:
• объём памяти должен быть как можно больше
• время доступа к памяти должно быть как можно меньше
В современных компьютерах используются устройства
памяти нескольких уровней, различающиеся по своим
основным характеристикам: времени доступа, сложности,
объёму и стоимости.

14.

МК
Принцип иерархичности памяти
Трудности физической реализации запоминающего
устройства высокого быстродействия и большого
объёма требуют иерархической организации памяти.
Д
о
Цена за байт
Б
р
ы
о
Д г
с
М т
Мало
е …о
е р
ш
…
…
д о
е
л
в
Много
е
о
н
н
Уровни
иерархии взаимосвязаны: все данные на одном
о могут быть также найдены на более низком уровне.
уровне
м
па
и
ят
Вр
ем
я
м
ъе
Об
до
ст
уп
а
!

15.

МК
Принцип программного управления
Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения
задачи, должны быть представлены в виде программы,
состоящей из последовательности команд. Команды
представляют собой закодированные управляющие слова, в
которых указывается:
• какое выполнить действие
• из каких ячеек считать операнды (данные, участвующие в
операции)
• в какую ячейку записать результат операции
!
Принцип программного управления определяет
общий
механизм
автоматического
выполнения
программы.

16.

МК
Принцип программного управления
Чтение и расшифровка
команды
Формирование адреса
очередной команды
Выполнение команды
Программа
завершена?
да
Передать управление
операционной системе
нет

17.

МК
Архитектура компьютера
!
Архитектура – это общие принципы построения
компьютера, отражающие программное управление
работой и взаимодействие его основных узлов.

18.

МК
Архитектура компьютера
!
Магистраль (шина) - устройство для
обмена данными между устройствами
компьютера.
Процессор
(АЛУ, УУ)
Память
(ОЗУ, ПЗУ)
Шина адреса
Шина данных
Шина управления
к
к
Устройств
а ввода
к
Внешняя
память
Устройства
вывода
По шине управления
ШинаШина
адресаданных
используется
передаются сигналы,
для указания физического
используется
для
управляющие
обменом
адреса по которому
информацией
между
передачи
данных
устройство обращается для
устройствами
и
между
узлами
проведения
операции
чтения
синхронизирующие
этот
компьютера
или записи.
обмен.
Контроллер – специальный
микропроцессор для
управления внешними
устройствами.

19.

МК
Архитектура компьютера
Данные между внешними
устройствами по магистрали
передаются напрямую
Существенное снижение
нагрузки на центральный
процессор
Повышение эффективности
работы всей вычислительной
системы
Современные
компьютеры
обладают
магистральномодульной архитектурой, главное достоинство которой
заключается в возможности легко изменить конфигурацию.

20.

МК
Архитектура компьютера
Системный блок — это элемент
персонального компьютера, который
защищает компоненты компьютера,
находящиеся внутри, от механических
повреждений и внешнего воздействия.
Кроме этого он поддерживает внутри себя
температуру, необходимую для стабильной
работы, экранирует электромагнитное
излучение, которое создается внутренними
элементами.

21.

МК
Архитектура компьютера
Материнская плата – многослойная
печатная плата, к ней подключаются все
элементы компьютера: жесткий диск,
процессор (CPU), оперативная память (ОЗУ),
видеокарта, оптический привод и др.,
устанавливается материнская плата внутри
системного блока. Основная задача
материнской платы - объединение и
обеспечение совместной работы всех
комплектующих компьютера.
Одной из важных характеристик
«материнки» является её форм-фактор стандарт, который определяет её размеры
для компьютера, места крепления внутри
системного блока, расположение на
поверхности сокета CPU, портов
ввода/вывода, слотов для оперативной
памяти и др.

22.

МК
Архитектура компьютера
Процессором называется
устройство, способное обрабатывать
программный код и определяющее
основные функции компьютера по
обработке информации.
Тактовая частота - указывает скорость
элементарных операций внутри
микропроцессора за 1 секунду.
(Измеряется в Мгц (мегагерцах))
1 Мгц= 1 млн тактов/сек.
Такт - промежуток времени между
началами подачи двух
последовательных импульсов
специальной микросхемой

23.

МК
Архитектура компьютера
Оперативная память (англ. Random Access
Memory, RAM, (ОЗУ)) — энергозависимая часть
системы компьютерной памяти, в которой во
время работы компьютера хранится
выполняемый машинный код (программы), а
также входные, выходные и промежуточные
данные, обрабатываемые процессором.

24.

МК
Архитектура компьютера
Видеокарта (графический адаптер) — устройство,
преобразующее графический образ, хранящийся
как содержимое памяти компьютера (или самого
адаптера), в форму, пригодную для дальнейшего
вывода на экран монитора. Современные
видеокарты не ограничиваются простым выводом
изображения, они имеют встроенный
графический процессор, который может
производить дополнительную обработку, снимая
эту задачу с центрального
процессора компьютера..
Обычно видеокарта выполнена в виде печатной
платы (плата расширения) и вставляется в разъём
расширения, универсальный либо
специализированный (AGP, PCI Express). Также
широко распространены и встроенные
(интегрированные) в системную
плату видеокарты — как в виде отдельного чипа,
так и в качестве составляющей части северного
моста чипсета или ЦПУ.

25.

МК
Архитектура компьютера
Сетевая плата (англ. network interface controller/card) — дополнительное устройство,
позволяющее компьютеру взаимодействовать с другими устройствами сети. В
настоящее время в персональных компьютерах и ноутбуках контроллер и
компоненты, выполняющие функции сетевой платы, довольно часто интегрированы
в материнские платы для удобства, в том числе унификации драйвера и
удешевления всего компьютера в целом.

26.

МК
Архитектура компьютера
Звуковая карта (англ. sound card) —
дополнительное
оборудование персонального
компьютера и ноутбука, позволяющее
обрабатывать звук (выводить
на акустические системы и/или записывать).
На момент появления звуковые
платы представляли собой
отдельные карты расширения,
устанавливаемые
в соответствующий слот. В
современных материнских платах
представлены в виде
интегрированного в материнскую
плату аппаратного кодека (согласно
спецификации Intel AC 97 или Intel
HD Audio).

27.

МК
Архитектура компьютера
Компьютерный блок питания (или
сокращённо — блок питания,
БП) — вторичный источник
электропитания, предназначенный для
снабжения
узлов компьютера электроэнергией
постоянного тока путём
преобразования сетевого
напряжения до требуемых значений.

28.

МК
Архитектура компьютера

29.

МК
Архитектура компьютера
Компьютерная клавиатура — устройство,
позволяющее пользователю вводить
информацию в компьютер (устройство
ввода).
Компьютерная мышь - координатное устройство для
управления курсором и отдачи различных команд
компьютеру.

30.

МК
Архитектура компьютера

31.

МК
Самое главное
Архитектура – это общие принципы построения
компьютера, отражающие программное управление работой
и взаимодействие его основных функциональных узлов.
Архитектура
первых
компьютеров
предполагала
взаимодействие всех устройств через процессор и наличие
неизменного набора внешних устройств.
Современные
компьютеры
обладают
открытой
магистрально-модульной архитектурой – устройства
взаимодействуют через шину, что способствует оптимизации
процессов внутреннего обмена информацией.
Современная архитектура позволяет легко изменить
конфигурацию компьютера путём подключения к шине новых
или замены старых внешних устройств.

32.

МК
Направления развития
Электронная техника
подошла к предельным
значениям своих
технических характеристик,
которые определяются
физическими законами
НАНОТЕХНОЛОГИИ
Поиск неэлектронных
средств хранения и
обработки данных.
Создание квантовых и
биологических
компьютеров

33.

ПРОГРАММНОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Программное обеспечение (ПО,
software) представляет собой набор
специальных программ, позволяющих
организовать обработку информации
с использованием ПК.

34.

35.

Программа – полное и точное
описание последовательности
действий (инструкций) компьютера
по обработке информации,
написанное на языке, понятном
компьютеру.

36.

Назначение ПО:
обеспечение работоспособности
компьютера.
облегчение взаимодействия
пользователя с компьютером.
сокращение цикла от постановки
задачи до получения результата.
повышение эффективности
использования ресурсов компьютера.

37.

Внутреннее ПО выполняет
следующие основные функции:
управляет широким набором
периферийных устройств.
осуществляет быструю проверку
работоспособности ПЭВМ при ее
включении.
устанавливает отдельные
аппаратные модули в исходное
состояние.
загружает программы ОС.

38.

ОПЕРАЦИОННАЯ
СИСТЕМА
Операционная система, сокр. ОС —
комплекс взаимосвязанных программ,
предназначенных для управления
ресурсами вычислительного
устройства и организации
взаимодействия с пользователем.

39.

Существуют три наиболее
популярных операционных систем
для компьютеров:Microsoft Windows,
Mac Os X и Linux

40.

Интерфейс – совокупность средств и
правил, обеспечивающих
взаимодействие между человеком и
компьютером.
Пользовательский интерфейс –
средства, которые позволяют
пользователю комфортно управлять
программами и оборудованием.

41.

Аппаратный интерфейс – это
технические и программные
средства, обеспечивающие связь
между разными устройствами
компьютера.

42.

Драйвер - это программа,
обеспечивающая
взаимодействие
компьютера с
оборудованием и
устройствами. Без
драйверов невозможна
нормальная работа
подключенного к ПК
оборудования, например
видеоадаптера или
принтера.

43.

Прикладная программа — или
приложение программа,
предназначенная для выполнения
определенных пользовательских
задач и рассчитана на
непосредственное взаимодействие с
пользователем.