Лекція №1

Тема. Особливості будови та роботи ЕОМ

Мета: ознайомити студентів з поняттям інформаційної системи та її складовими, будовою ЕОМ, фізичними процесами, на яких базується функціонування апаратних складових персонального комп’ютера;

розвивати логічне мислення, увагу, спостережливість, вміння аналізувати;

виховувати інтерес до вивчення предмету.

Обладнання:  мультимедійна дошка, проектор, ПК.

Література:

1. Морзе Н.В. Інформатика 10 Рівень стандарту – Київ: 2010
2. Ребрина В.А, Ривкінд Й.Я., Чернігова Л.А, Шакотько В.В. Інформатика 10 – Київ: «Генеза» 2008.
3. Ривкінд Й.Я., Лисенко Т.І.,Чернігова Л.А, Шакотько В.В. Інформатика 10 Рівень стандарту – Київ: «Генеза» 2010
4. Ривкінд Й.Я., Лисенко Т.І.,Чернігова Л.А, Шакотько В.В. Інформатика 10 Академічний рівень, профільний рівень – Київ: «Генеза» 2011

План

1. Поняття інформаційної системи.
2. Будова та принципи роботи ЕОМ.
   1. Класична архітектура ЕОМ,  принципи фон Неймана.
   2.  Принципи функціонування сучасного комп’ютера.
   3.  Магістрально-модульний принцип будови комп’ютера.

1. Поняття інформаційної системи.

Слово «система» має грецьке походження і означає «ціле, утворене з окремих частин». В рамках предмету ми вивчаємо інформаційні системи.

Інформаційна система – це сукупність інформаційних ресурсів (інформації) і технологій їх опрацювання.

Інформаційні системи існують віддавна. Класичним прикладом є бібліотечний каталог. З сучасними інформаційними системами ми зустрічаємося щодня, наприклад:

• телебачення – забезпечує поширення інформації;
• мережа мобільного зв’язку – допомагає передавати інформацію.

Інформаційні системи поділяють на автоматичні та автоматизовані. Автоматичні функціонують без втручання людини. в автоматизованих системах важливу роль відіграють люди, зокрема, на етапах аналізу інформації й прийняття рішень.

Серед усіх інформаційних систем нас цікавитимуть лише  технічні інформаційні системи, тобто створені людиною з використанням певних технологій. Постає питання: як такі системи можуть збирати, обробляти, використовувати або створювати інформацію, чи принаймні «розуміти» команди людей? Відповідь полягає у тому, що ці системи запрограмовані людиною, тобто містять програмну складову. Отже людина повина спочатку пояснити системі, як поводити себе в певних ситуаціях – задати для неї програму дій; лише після цього система зможе функціонувати.

Програмне забезпечення – інформація, що визначає поведінку інформаційної системи.

Для виконання вказівок програм в системі має існувати апаратна складова інформаційної системи.

Апаратне забезпечення – комплекс технічних засобів, необхідних для функціонування інформаційної системи.

Таким чином технічна інформаційна система має дві складові – програмне та апаратне забезпечення, які взаємодіють між собою.

Можемо дати визначення комп’ютера як інформаційної системи.

Комп'ютер — це електронна система, яка призначена для опрацювання різних видів інформації, що подається в цифрових кодах за наперед складеними програмами (алгоритмами).

2. Будова та принципи роботи ЕОМ.

1.        Класична архітектура ЕОМ,  принципи фон Неймана.

Основи вчення про архітектуру обчислювальних машин заклав видатний американський математик Джон фон Нейман. Він підключився до створення першої в світі лампової ЕОМ ENIAC у 1944 р., коли її конструкція була вже вибрана. У процесі роботи під час численних дискусій зі своїми колегами Г. Голдстайном і А. Беркс фон Нейман висловив ідею принципово нової ЕОМ. У 1946 р. вчені виклали свої принципи побудови обчислювальних машин в що стала класичною статті «Попередній розгляд логічної конструкції електронно-обчислювального пристрою». З тих пір минуло півстоліття, але висунуті в ній положення зберігають актуальність і сьогодні.

Раніше всі обчислювальні машини зберігали оброблювані числа в десятковому вигляді. Автори переконливо продемонстрували переваги двійкової системи для технічної реалізації, зручність і простоту виконання у ній арифметичних і логічних операцій. Надалі ЕОМ стали обробляти і нечислові види інформації - текстову, графічну, звукову та інші, але двійкове кодування даних як і раніше становить інформаційну основу будь-якого сучасного комп'ютера.

Для переведення десяткового числа в двійкову систему його необхідно послідовно ділити на 2 до тих пір, поки не залишиться залишок, менший або рівний 1. Число в двійковій системі записується як послідовність останнього результату ділення і залишків від ділення в зворотному порядку.

Приклад. Число 2210 перевести в двійкову систему числення.

2210=101102

Перевести число 1110 в двійкову систему числення

Ще однією воістину революційною ідеєю, значення якої важко переоцінити, є запропонований Нейманом принцип «зберігання програми». Спочатку програма задавалася шляхом установки перемичок на спеціальній комутаційній панелі. Це було дуже трудомістким заняттям: наприклад, для зміни програми машини ENIAC було потрібно кілька днів (у той час як власне розрахунок не міг тривати більше декількох хвилин - виходили з ладу лампи). Нейман першим здогадався, що програма може також зберігатися у вигляді набору нулів та одиниць, причому в тій же самій пам'яті, що й оброблювані нею числа. Відсутність принципової різниці між програмою і даними дало можливість ЕОМ самій формувати для себе програму відповідно до результатів обчислень.

Фон Нейман не тільки висунув основоположні принципи логічного пристрою ЕОМ, але й запропонував її структуру, яка відтворювалася протягом перших двох поколінь ЕОМ.

Архітектура ЕОМ, побудованої на принципах Фон Неймана

 За кожну з операцій що виконує комп'ютер відповідають спеціальні блоки комп'ютера:

• пристрій введення,

• центральний процесор,

• запам'ятовуючий пристрій,

• пристрій виведення.

Запам'ятовуючий пристрій - це блок ЕОМ, призначений для тимчасового (оперативна пам'ять) та тривалого (постійна пам'ять) зберігання програм, вхідних і результуючих даних та деяких проміжних результатів. Інформація в оперативній пам'яті зберігається тимчасово лише при включеному живленні, але оперативна пам'ять має більшу швидкодію. В постійній пам'яті дані можуть зберігатися навіть при вимкненому комп'ютері, проте швидкість обміну даними між постійною пам'яттю та центральним процесором, у переважній більшості випадків, значно менша.

Арифметико-логічний пристрій - це блок ЕОМ, в якому відбувається перетворення даних за командами програми: арифметичні дії над числами, перетворення кодів та ін.

Керуючий пристрій координує роботу всіх блоків комп'ютера. У певній послідовності він вибирає з оперативної пам'яті команду за командою. Кожна команда декодується, за потреби елементи даних з указаних в команді комірок оперативної пам'яті передаються в АЛП. АЛП настроюється на виконання дії, вказаної поточною командою (в цій дії можуть брати участь також пристрої введення-виведення); дається команда на виконання цієї дії. Цей процес буде продовжуватися доти, доки не виникне одна з наступних ситуацій: вичерпано вхідні дані, з одного з пристроїв надійшла команда на припинення роботи, вимкнено живлення комп'ютера.

 Пристрій керування та арифметико-логічний пристрій в сучасних комп'ютерах об'єднані в один блок - процесор, що є перетворювачем інформації, що надходить з пам'яті і зовнішніх пристроїв.

 У побудованій за описаною схемою ЕОМ відбувається послідовне зчитування команд з пам'яті і їх виконання. Номер (адреса) чергової комірки пам'яті, з якої буде вилучено наступна команда програми, вказується спеціальним пристроєм - лічильником команд в КП. Його наявність також є одним з характерних ознак розглянутої архітектури.

2.        Принципи функціонування сучасного комп’ютера.

Сучасну архітектуру комп'ютера визначають такі принципи:

1. Принцип програмного керування. Забезпечує автоматизацію процесу обчислень на ЕОМ. Згідно з цим принципом, запропонованим англійським математиком Ч.Беббіджем у 1833 р., для розв'язання кожної задачі складається програма, що визначає послідовність дій комп'ютера. Ефективність програмного керування є високою тоді, коли задача розв'язується за тією самою програмою багато разів (хоч і за різних початкових даних).
2. Принцип програми, що зберігається в пам'яті. Згідно з цим принципом, сформульованим Дж. фон Нейманом, команди програми подаються, як і дані, у вигляді чисел й обробляються так само, як і числа, а сама програма перед виконання завантажується в оперативну пам'ять. Це прискорює процес її виконання.
3. Принцип довільного доступу до пам'яті. Згідно з цим принципом, елементи програм та даних можуть записуватися у довільне місце оперативної пам'яті. Довільне місце означає можливість звернутися до будь-якої заданої адреси (до конкретної ділянки пам'яті) без перегляду попередніх.

На підставі цих принципів можна стверджувати, що сучасний комп'ютер - технічний пристрій, який після введення в пам'ять початкових даних у вигляді цифрових кодів і програми їх обробки, вираженої також цифровими кодами, здатний автоматично здійснити обчислювальний процес, заданий програмою, і видати готові результати розв'язання задачі у формі придатній для сприйняття людиною.

Реальна структура комп'ютера значно складніша, ніж розглянута вище (її можна назвати логічної структурою). У сучасних комп'ютерах, зокрема персональних, все частіше здійснюється відхід від традиційної архітектури фон Неймана, зумовлений прагненням розробників та користувачів до підвищення якості та продуктивності комп'ютерів. Якість ЕОМ характеризується багатьма показниками. Це і набір команд, які комп'ютер здатний розуміти, і швидкість роботи (швидкодія) центрального процесора, кількість периферійних пристроїв введення-виведення, які можна приєднати до комп'ютера одночасно і т.д. Головним показником є швидкодія - кількість операцій, яку процесор здатний виконати за одиницю часу. На практиці корситувача більше цікавить продуктивність комп'ютера - показник його ефективної швидкодії, тобто здатності не просто швидко функціонувати, а швидко розв'язувати конкретні поставлені задачі.

Як результат, всі ці та інші фактори спричинили принципове і конструктивне вдосконалення елементної бази комп'ютерів, тобто створення нових, більш швидких, надійних і зручних у роботі процесорів, запам'ятовуючих пристроїв, пристроїв введення-виведення і т.д. Проте, слід усвідомлювати, що швидкість роботи елементів неможливо збільшувати безмежно (існують сучасні технологічні обмеження та обмеження, зумовлені фізичними законами). Тому розробники комп'ютерної техніки шукають вирішення цієї проблеми вдосконаленням архітекутри ЕОМ.

Так, з'явилися комп'ютери з багатопроцесорною архітектурою, в яких кілька процесорів працюють одночасно, а це означає, що продуктивність такого комп'ютера дорівнює сумі продуктивностей процесорів. У потужних комп'ютерах, призначених для складних інженерних розрахунків і систем автоматизованого проектування (САПР), часто встановлюють два або чотири процесори. У надпотужних ЕОМ (такі машини можуть, наприклад, моделювати ядерні реакції в режимі реального часу, передбачати погоду в глобальному масштабі) кількість процесорів досягає кількох десятків.

Швидкість роботи комп'ютера істотно залежить від швидкодії оперативної пам'яті. Тому постійно ведуться пошуки елементів для оперативної пам'яті, які потребували б якомога менше часу на операції читання-запису. Але разом із швидкодією зростає вартість елементів пам'яті, тому нарощення швидкодійної оперативної пам'яті потрібної ємності не завжди прийнятна економічно.

Проблема вирішується побудовою багаторівневої пам'яті. Оперативна пам'ять складається з двох-трьох частин: основна частина великої ємності будується на відносно повільних (більш дешевих) елементах, а додаткова (так звана кеш-пам'ять) складається зі швидкодійних елементів. Дані, до яких процесор звертається найчастіше містяться в кеш-пам'яті, а більший обсяг оперативної інформації зберігається в основній пам'яті.

Раніше роботою пристроїв введення-виведення керував центральний процесор, що займало в нього чимало часу. Архітектура сучасних комп'ютерів передбачає наявність каналів прямого доступу до оперативної пам'яті для обміну даними з пристроями введення-виведення без участі центрального процесора, а також передачу більшості функцій керування периферійними пристроями спеціалізованим процесорам, що розвантажує центральний процесор і підвищує його продуктивність.

3.        Магістрально-модульний принцип будови комп’ютера.

Конструктивною особливістю будови сучасних комп'ютерів є те, що вони складаються з окремих модулів, кожний з яких має своє функціональне призначення.

Магістрально-модульний принцип будови полягає в тому, що комп’ютер складається з окремих модулів, обмін інформацією між якими здійснюється через системну шину.

Всі пристрої ПК підключаються до материнської плати за допомогою роз'ємів на ній. Кожен пристрій – це окремий модуль. З’єднання всіх модулів в одну систему забезпечується за допомогою системної магістралі (шини), яка являє собою лінії передачі даних, адрес та керування.

Слово «шина» спочатку (було введено в електротехніці та означало товстий мідний дріт для передачі великих струмів. У комп'ютерній техніці «шиною» називають пристрій для зв’язку між собою кількох вузлів комп'ютера.

Шина — це сукупність паралельних ліній, по яких на основі спеціальних алгоритмів передається інформація від одного модуля комп'ютера до іншого за допомогою електричних сигналів.

Усі шини в сукупності утворюють системну магістраль.

Системна магістраль складається з трьох частин:

• шина керування – служить для управління процесором усіма системами та процесами, що відбуваються в комп'ютері;
• адресна шина – забезпечує вибір потрібної комірки пам'яті, а також портів введення-виведення;
• шина даних –по ній інформація передається між ЦП і будь-яким пристроєм.

Схема обміну інформацією між процесором та оперативною пам’яттю:

Схема обміну інформацією між процесором та оперативною пам’яттю

По шині керування процесор «інформує» пам’ять, що йому необхідні дані, які знаходяться в комірці з певною адресою. Потім процесору надходить відповідь, що ці дані доступні і він по адресній шині передає адреси комірок пам’яті, а по шині даних зчитує з них інформацію.

Функціональна схема ПК

Розрядність шини даних визначає розрядність комп’ютера. Наприклад, якщо шиною даних передається 32 біти в паралель, то ПК називається 32-розрядним. Розрядність впливає на продуктивність комп’ютера.

Розрядність адресної шини визначає адресний простір – максимальну кількість комірок ОП. Кількість адресованих комірок становить 2n, де n – розрядність адресної шини. Для сучасних комп’ютерів використовується 32-розрядна адресна шина і 64-розрядна. 

Системна шина забезпечує три напрямки передачі інформації:

1)  між мікропроцесором і ОП;

2)  між мікропроцесорами і портами введення/виведення зовнішніх пристроїв;

3)  між основною пам’яттю і зовнішніми пристроями (в режимі прямого доступу до пам’яті).

Модулі — це логічно і конструктивно завершені пристрої, які виконують певні функції в обчислювальному процесі.

Завдяки модульному складу ПК користувач може сам комплектувати необхідну для себе конфігурацію комп'ютера. Модульний склад полегшує також модернізацію комп'ютера та усунення несправностей.