Слайд 1Лекция 3
Структура компьютера и его функции
Intel has
developed a new technique
to generate random numbers that is suitable
for integration directly into the CPU!
This circuit can turn out 2.4 billion random numbers a second!
Intel анонсирует генератор случайных чисел
Интел разработал новую технику -
генератор случайных чисел. Этот модуль
интегрирован непосредственно в ЦП!
Он может сформировать 2.4 миллиарда
случайных чисел в секунду!
Слайд 2Структура компьютера
Любая сложная система, включая компьютер, имеет иерархическую природу
Компьютер -
сложная система. Современные компьютеры содержат миллионы простейших электронных компонентов. Поэтому
проектирование такой системы должно использовать методы, применяемые в теории сложных систем
Слайд 3Иерархическая система
Иерархическая система - набор взаимосвязанных подсистем, каждая из
которых, в свою очередь, имеет иерархическую структуру
Такое представление сложной системы
продолжается до тех пор, пока мы не достигаем некоторого самого низкого уровня элементарной подсистемы
Структура - способ объединения компонентов подсистемы в единое целое
Функции - операции, выполняемые каждым компонентом в процессе реализации функции, назначенной всей подсистеме
Слайд 4Функции компьютера
Обработка данных;
Хранение данных;
Перемещение данных;
Управление.
Слайд 5Обработка данных
Основное назначение компьютера - обработка данных
Данные могут иметь
большое разнообразие форм и широкий диапазон представления
Однако, имеются только
несколько фундаментальных методов и типов обработки данных
Слайд 6Хранение данных
Существенное место занимает и функция хранения данных
Даже
если компьютер обрабатывает данные на лету, т.е. по мере их
поступления из операционной среды, причем результат также немедленно отправляется получателю, компьютер должен обладать способностью, хотя бы временно хранить промежуточные результаты и фрагменты данных, которые обрабатываются в текущий момент времени
Слайд 7Хранение данных (2)
Таким образом, система должна выполнять функцию хранения данных
хотя бы и на короткое время
Но в большинстве случаев
от компьютера требуется выполнение функции долговременного хранения файлов данных, которые могут обрабатываться или обновляться по мере необходимости
Слайд 8Перемещение данных
Компьютер должен быть способен перемещать данные как внутри
себя, так и обмениваться данными с внешним миром
Среда компьютера
состоит из устройств, которые служат или как источники или адресаты данных
Слайд 9Перемещение данных (2)
Когда данные получены или направлены в устройство, которое
непосредственно соединено с компьютером, процедура известна как ввод - вывод,
и устройство называется периферийным
Когда данные перемещаются на более дальние расстояния, процесс известен как обмен данными с удаленным устройством (удаленный доступ)
Слайд 10Управление
Наконец, необходимо управлять этими тремя функциями
Управление осуществляется устройством, которое
обеспечивает компьютер командами
Внутри компьютерной системы устройство управления управляет ресурсами компьютера
и обеспечивает эффективность функционирования всех его частей при выполнении необходимых команд
Слайд 11Базовые функции компьютерной системы
Слайд 12Функция (1)
Перемещение данных
Например, от клавиатуры на монитор
Слайд 13Функция (2)
Хранение
Например, сетевая загрузка на диск
Слайд 14Функция (3)
Обработка данных из памяти
Например, модификация банка данных
Слайд 15Функция (4)
Обработка от памяти до ввода - вывода
Например, печать банка
данных
Слайд 16Компьютер - элемент информационной среды
Слайд 17Взаимодействие компьютера с информационной средой
Компьютер является объектом, способным взаимодействовать с
внешней по отношению к нему средой через связи, которые можно
разделить на две группы:
связи с локальным периферийным оборудованием;
связи для передачи данных на большое расстояние.
Слайд 18
Структура компьютера - верхний уровень
Компьютер
Оперативная
память
Ввод-
вывод
Системы
соединений
Периферия
Линии передачи
данных
Центральный
процессор
Компьютер
Слайд 19Основные компоненты компьютера
Центральный процессор (ЦП) управляет функционированием всей системы
и выполняет функции обработки данных.
Оперативная память хранит исходные данные и
всю информацию, необходимую для их обработки.
Устройства ввода-вывода перемещают данные между компьютером и окружающей средой в обе стороны.
Системные внутренние связи представляют собой некоторый механизм, обеспечивающий обмен данными между основными компонентами.
Слайд 20
Структура центрального процессора
Компьютер
АЛУ
Устройство
управления
Внутренняя
шина ЦП
Регистры
ЦП
В/В
Память
Системная
шина
цп
Слайд 21Состав центрального процессора
арифметическое и логическое устройство (АЛУ), которое выполняет
все операции, связанные с содержательной обработкой данных;
устройство управления, на
которое возлагаются функции управления прочими компонентами ЦП и всем компьютером;
регистры, которые хранят оперативную информацию во время выполнения процессором текущей операции;
внутренние связи ЦП —механизм, обеспечивающий совместную работу трех остальных компонентов ЦП.
Слайд 22
Структура устройства управления
ЦП
Память
микропрограмм
регистры и
дешифраторы
устройства
управления
Конечный
автомат
УУ
АЛУ
Регистры
Шина
Устройство
управления
Слайд 23ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ И РАЗВИТИЯ КОМПЬЮТЕРОВ
Проект ENIAC был завершен в 1946
году
ENIAC - Electronic Numerical Integrator And Computer — электронный цифровой
интегратор и вычислитель
Дж. Мочли, профессор электротехники Пенсильванского университета, и Дж. Эккерт, один из его аспирантов, предложили спроектировать универсальную вычислительную машину на электронных лампах
Начало – 1943 г.
Окончание – 1946 г.
Работал до 1955 г.
Слайд 24Проект ENIAC
Проект создавался в самом конце второй мировой войны с
учетом потребности вооруженных сил США.
Армейская лаборатория исследования баллистики (BRL
— Ballistics Research Laboratory), которая занималась подготовкой баллистических таблиц, используемых для точной наводки крупнокалиберных орудий, в условиях дефицита времени испытывала огромные затруднения при выполнении необходимых расчетов.
Слайд 25Проект ENIAC
Для выполнения расчетов лаборатория вынуждена была привлечь свыше
200 вычислителей, которые трудились в поте лица, решая численными методами
уравнения баллистики с помощью настольных механических калькуляторов.
На подготовку таблицы для одного типа орудия у каждого вычислителя уходило много часов, а иногда и несколько дней.
Слайд 26Проект ENIAC
Дж. Мочли и Дж. Эккерт предложили спроектировать универсальную вычислительную
машину на электронных лампах, которая могла бы справиться и с
теми задачами, что решались в BRL
В 1943 году их предложение было одобрено армейским руководством и началась работа над проектом ENIAC
To, что было создано, даже по тем временам казалось техническим монстром
Слайд 29Характеристики
Система счисления – десятичная
20 аккумуляторов емкостью 10 цифр
Программирование вручную
18 000
электронных ламп
30 тонн
15 000 кв. футов (примерно 1 400 кв.
м)
140 кВт электроэнергии
5 000 сложений/с
Слайд 30Характеристики (2)
ENIAC была десятичной вычислительной машиной
Данные в ней были
представлены в десятичной системе счисления, и в этой же системе
выполнялись арифметические операции
Память машины состояла из 20 "аккумуляторов", каждый из которых хранил 10-разрядное десятичное число
Для хранения одного десятичного разряда использовалась кольцевая схема на 10 электронных лампах, из которых в каждый момент времени только одна была "включена".
Слайд 31Характеристики (3)
Номер включенной лампы и соответствовал значению разряда
Основной недостаток ENIAC
состоял в том, что программирование процесса вычислений в ней выполнялось
вручную с помощью электрических переключателей и перекоммутации электрических кабелей
Слайд 32Проект ENIAC
Проект был завершен в 1946 году, когда война уже
закончилась
Но машина нашла применение в Манхэттенском проекте при выполнении
расчетов, связанных с проектированием водородной бомбы
То, что ENIAC удалось использовать совсем в другой области, чем той, для которой машина проектировалась, показало огромное преимущество идеи универсальной вычислительной машины
Слайд 33Машина фон Неймана
Ввести новую программу в ENIAC или изменить что-либо
в имеющейся было исключительно трудно и утомительно.
Значительно проще было
бы программировать машину в том случае, если бы можно было представить программу в таком же виде, как и данные, и хранить ее примерно таким же способом.
Тогда ввод новой программы свелся бы к вводу массива команд в память, а компьютер в процессе вычислений извлекал бы эти команды из памяти.
Слайд 34Машина фон Неймана
Возникновение этой идеи, известной теперь во всем мире
под именем концепции хранимой программы, обычно связывают с группой создателей
ENIAC, в частности с именем математика Дж. фон Неймана (John von Neumann), который был консультантом проекта.
В 1946 году фон Нейман и его коллеги по Институту современных исследований в Принстоне (Princeton Institute for Advanced Studies — IAS) начали работу над проектом нового компьютера с хранимой программой, известного в научном мире под именем компьютера IAS.
Слайд 35Машина фон Неймана
Компьютер IAS , проектирование и изготовление которого завершилось
только в 1952 году, стал прототипом всех последующих компьютеров общего
назначения с хранимой в памяти компьютера программой
Слайд 37Структура IAS
устройство оперативной памяти, в котором хранятся данные и команды
программы;
арифметическое и логическое устройство (АЛУ), которое обрабатывает данные, представленные в
двоичной системе счисления;
устройство управления выполнением программы (УУ), которое анализирует команды программы, извлекаемые из памяти, и организует их выполнение;
оборудование ввода-вывода, работающее в соответствии с сигналами, поступающими от УУ.
Все современные компьютеры имеют такую же структуру и функции и поэтому называются машинами фон Неймана.
Слайд 38Память компьютера IAS
состояла из 1000 ячеек, называемых словами
Длина
каждой ячейки — 40 двоичных разрядов (битов)
В памяти сохранялись
и числовые данные, и команды программы
Данные представлялись в двоичной системе счисления (в двоичном коде), каждая команда программы также имела двоичный формат
Слайд 39Машина фон Неймана
Программа и данные хранятся в оперативной памяти
АЛУ оперирует
с двоичными данными
УУ декодирует команды и выполняет их
Оборудование ввода –
вывода функционирует под управлением УУ
Princeton Institute for Advanced Studies — IAS
Проектирование и изготовление IAS завершилось в 1952 году
Слайд 40Форматы данных в IAS
0 1
39
Знаковый
разряд
а) Представление чисел
Левая команда
Правая команда
0 8 19 20 28 39
Код операции
Адрес
Код операции
Адрес
б) Командное слово
Число
0 1 39
а) Представление чисел
Левая команда
Правая команда
0 8 19 20 28 39
Код операции
Адрес
Код операции
Адрес
б) Командное слово
Число
0 1 39
а) Представление чисел
Левая команда
Правая команда
0 8 19 20 28 39
Код операции
Адрес
Код операции
Адрес
б) Командное слово
Число
Слайд 41Формат данных в IAS
Слово памяти могло хранить две команды по
20 бит каждая
В формате команды старшие 8 бит отводились
для хранения кода операции, определяющего вид выполняемого действия
Младшие 12 бит — для хранения адреса одного из слов памяти (адреса могли быть числами в диапазоне 0 - 999).
Слайд 43Назначение регистров
Буферный регистр памяти (БРгП) - {MBR - memory
buffer register} хранит слово, которое должно быть записано в память
или которое только что извлечено из памяти
Регистр адреса памяти (РгАП) – {MAR - memory address register} хранит адрес ячейки памяти, к которой производится обращение для считывания слова или записи
Слайд 44Назначение регистров
Регистр команды (РгК) – {IR - instruction register} хранит
код операции текущей команды длиной в 8 бит в процессе
ее выполнения
Буферный регистр команды (БРгК) {IBR - instruction buffer register} служит для временного хранения правой команды, извлеченной при чтении очередного слова команды из памяти
Слайд 45Назначение регистров
Программный счетчик команд (ПСч) {PC - program counter} хранит
адрес следующего слова команды, которое должно быть извлечено из памяти
после завершения выполнения пары команд из текущего слова.
Аккумулятор (Акк) {АС} и регистр множимого/частного (РгМн) {MQ - multiplier quotient} используются для временного хранения операндов и результатов в АЛУ
Слайд 47Цикл команды
Цикл команды состоит из двух фаз:
-
фазы выборки команды
- фазы выполнения команды
В
течение фазы выборки код операции очередной команды загружается в РгК, а содержимое поля адреса этой же команды загружается в РгАП
В течение фазы выполнения схема управления декодирует код операции и выполняет команду, вырабатывая соответствующие сигналы управления
Слайд 48Характеристики IAS
1000 х 40 бит слов
двоичная система счисления
2 х 20
бит команды
Набор регистров ЦП
Буферный регистр памяти (БРгП)
Регистр адреса памяти (РгАП)
Регистр
команды (РгК)
Буферный регистр команды (БРгК)
Программный счетчик команд (ПСч)
Аккумулятор (Акк)
Регистр множимого/частного (РгМн)
Слайд 49Система команд IAS
Команды пересылки данных выполняют загрузку данных из заданной
ячейки памяти в один из двух адресуемых регистров АЛУ —аккумулятор
Акк или регистр множимого/частного РгМн — или из этих регистров в заданную ячейку памяти
Команды безусловного перехода изменяют порядок выполнения независимо от состояния аккумулятора
Слайд 50Система команд IAS
Команды условного перехода. Команды этой группы также изменяют
естественный порядок выполнения команд программы, но это изменение происходит только
при определенном состоянии аккумулятора, т.е. зависит от результата предыдущей операции. С помощью команд условного перехода в программе реализуется принятие решения на основе результатов вычислений
Арифметические команды задают выполнение четырех арифметических действий, причем некоторые арифметические операции имеют пару модификаций
Слайд 51Система команд IAS
Команды модификации адресной части команды позволяют выполнять модификацию
программы программным путем, заменяя первоначально установленные значения адресных полей в
командах. Новые значения вычисляются в аккумуляторе, причем для их вычисления можно использовать весь арсенал арифметических команд.
Слайд 52Принцип программного управления
Преобразователи и распознаватели
- Преобразователи обеспечивают обработку
данных путем выполнения операций над элементами данных (словами)
-
Распознаватели обеспечивают управление порядком выполнения операторов путем анализа элементов данных
Слайд 53Этапы решения задачи
Постановка задачи
Выбор математической либо логической модели ее решения
Разработка
алгоритма решения этой задачи
Преобразование алгоритма в программу
Создание массива исходных данных
Размещение программы и массива данных в памяти машины
Выполнение программы в автоматическом режиме
Получение результатов и их анализ
Слайд 54Этапы решения задачи
Алгоритмом называется точное предписание, которое задает вычислительный процесс,
начинающийся с допустимых для данного алгоритма исходных данных и направленный
на получение полностью определяемого этим алгоритмом и исходными данными результата
Слайд 55Этапы решения задачи
Команда – это оператор, который определяет наименование операции
и слова данных (операнды), участвующие в операции
Программа - это алгоритм,
представленный совокупностью команд
Слайд 56Основные положения ППУ (1)
Данные и команды представляются в двоичной форме
и разделяется на элементы, называемые словами
Использование в компьютерах двоичных
кодов продиктовано спецификой электронных схем, применяемых для передачи, хранения, управления и преобразования данных
Слайд 57Основные положения ППУ (2)
Данные и команды различаются по способу использования
Только
порядок использования слов в программе вносит различия в слова
Благодаря этому,
оказалось возможным использовать одни и те же операции для обработки слов различной природы – чисел и команд.
Команды программы становятся в такой же степени доступными для обработки, как и числа
Слайд 58Основные положения ППУ (3)
Слова размещаются в ячейках памяти компьютера и
идентифицируются номерами ячеек, называемыми адресами слов
Машинная память представляет собой
совокупность ячеек, каждая из которых служит местом для хранения слова данных
Чтение и запись данных при использовании памяти обязательно требуют передачи в память адреса ячейки
Слайд 59Основные положения ППУ (3)
При чтении данных из ячейки ее содержимое
не меняется и может быть прочитано еще неограниченное число раз
При
записи данных в ячейку прежнее ее содержимое заменяется новым
Старое содержимое ячейки теряется
Слайд 60Основные положения ППУ (4)
Программа представляется в форме последовательности управляющих слов
(команд), которые определяют наименование операции и операнды, участвующие в операции.
Команда состоит из полей, обозначаемых кодом операции и адресной части
Слайд 61Основные положения ППУ (4)
Использование в команде адресов вместо самих операндов
придает программе универсальность – одна и та же программа будет
работать при изменении данных в ячейках памяти
Число адресов в команде определяется числом операндов, участвующих в операции
Слайд 62Основные положения ППУ (4)
Для бинарных операций (сложение, вычитание и т.
д.) требуется два операнда, а в адресной части команды, в
общем случае, необходимо указать три адреса:
- два – для указания операндов
- один – для адреса ячейки, в которой должен быть размещен результат.
Слайд 63Основные положения ППУ (5)
Преобразование данных, предписанное алгоритмом, сводится к последовательному
выполнению команд в порядке, однозначно определяемом программой
Первой выполняется команда, являющаяся
пусковым адресом программы. Обычно это адрес первой команды программы.
Слайд 64Основные положения ППУ (5)
Адрес следующей команды однозначно определяется в процессе
выполнения текущей команды и может быть либо адресом следующей по
порядку команды, либо адресом любой другой команды
Процесс вычислений продолжается до тех пор, пока не будет выполнена команда, предписывающая прекращение вычислений
Слайд 65Основные положения ППУ
На основе принципа программного управления в компьютерах была
реализована автоматизация вычислительного процесса, позволившая с огромной скоростью выполнять арифметические
и логические операции
Кроме того, возможность хранения большого количества различных данных и способность решения широкого круга математических задач и задач обработки данных сделали компьютеры мощным средством научно-технического прогресса
Слайд 66Какое из следующих высказываний ПРАВИЛЬНОЕ?
1 Одно из преимуществ двоичной системы
- то, что она обеспечивает симметрию в представлении положительных и
отрицательных чисел
2 В двоичной системе каждое число имеет только одно уникальное представление
1 2
a) F F
b) F T
c) T F
d) T T
e) No idea
Слайд 67Какое из следующих высказываний ПРАВИЛЬНОЕ?
1 Одно из преимуществ двоичной системы
- то, что она обеспечивает симметрию в представлении положительных и
отрицательных чисел
2 В двоичной системе каждое число имеет только одно уникальное представление
FALSE
TRUE
1 2
a) F F
b) F T
c) T F
d) T T
e) No idea
