В основе работы любого технически сложного устройства, которым является компьютер, лежит некий принцип его организации.
В основе устройства компьютера лежат так называемые принципы Неймана — Лебедева .
Первый принцип — это состав компонентов компьютера.
Любой компьютер должен содержать в себе центральный процессор, внутреннюю (оперативную) память, внешнюю (постоянную) память, устройства ввода, а также устройства вывода.
Рис. (1). Компоненты компьютера
На рисунке толстые стрелки обозначают управление процессора, а тонкие — потоки информации.
Согласно этому принципу всеми потоками данных в системе управляет процессор.
Устройства ввода и вывода, как несложно догадаться, предназначены для ввода информации и её вывода, например на экран монитора.
Внутренняя (или оперативная) память нужна для временного хранения информации (начальных (вводных) или промежуточных результатов). Она очищается сразу, как только компьютер выключат.
05. Основы устройства компьютера. Регистры и команды процессора. [Универсальный программист]
Внешняя (или постоянная) память нужна для длительного хранения информации.
Второй принцип — это принцип кодирования информации.
Ни для кого уже не секрет, что современные компьютеры хранят всю информацию в виде двоичного кода (последовательности (0) и (1)).
Это позволяет хранить любые данные — текст, видео, аудио, графику и т. п. — на одном носителе. Их форма представления становится единой. И для компьютера нет никакой разницы, хранит он (10) гигабайт текста или видео. Для него это всё — лишь последовательность нулей и единиц.
Третий принцип — принцип однородности памяти.
По аналогии со вторым принципом для компьютера нет никакой разницы в представлении данных и команд. И то и другое — последовательность нулей и единиц. Различия заключаются в том, как используют эту последовательность, хранящуюся в памяти. То есть к одной и той же ячейке памяти с одним и тем же содержимым можно обратиться как к данным или как к команде . Например, если к этой ячейке, а точнее говоря к последовательности в ячейке памяти, мы обращаемся как к числу, то мы должны выделить область знака и область значащих рядов. Если же мы обращаемся к ней как к команде, то должны выделить поле кода операции и поле адресов операндов.
Принцип однородности памяти позволяет одинаково работать с командами как с данными. Это необходимо для трансляции текста написанной программы в машинный код конкретной машины.
Вообще, память компьютера состоит из отдельных битов. Это такие однородные элементы, имеющие два возможных состояния: (0) и (1). Для записи или чтения рядом расположенные биты объединяются в ячейки. Таким ячейкам памяти назначается свой уникальный адрес. Считывается и записывается информация в такие ячейки в произвольном порядке. Нумерация адресов начинается с (0).
То есть адрес ячейки памяти — это её последовательный номер. Он присваивается ячейке в момент загрузки компьютера, когда BIOS опрашивает устройства на их наличие в системе.
Компьютер. Урок 1. Основные компоненты компьютера. Процессор и память
Это четвёртый принцип — принцип адресности памяти.
Раз уж речь зашла о памяти, необходимо сказать и о её разрядности. Сейчас, как правило, используется (64)-разрядная память. То есть одновременно записываться, храниться в памяти и читаться из неё могут до (8) байтовых восьмибитных ячеек.
Но для разных поколений компьютеров характерна своя разрядность. По мере появления всё более современных типов данных стало неудобно работать с ячейками памяти, которые должны были изначально содержать в себе максимально длинные числа для увеличения точности вычислений. А символы в количестве (4)–(5) занимали всю ячейку.
Было решено уменьшить размер ячейки так, чтобы один символ занимал только одну ячейку. Появилась байтовая память на основе восьмибитовых ячеек памяти. Адреса ячеек памяти для удобства стали указывать в шестнадцатеричном формате.
Рис. (2). Байтовая структура памяти
Принцип иерархической организации памяти
Существуют два взаимно исключающих требования к памяти компьютера. С одной стороны, чем объём памяти больше, тем лучше. С другой — чем она быстрее, тем лучше. Но с ростом объёма памяти поиск нужной информации существенно затрудняется.
Чтобы разрешить это противоречие, в современных компьютерах используются различные типы памяти: RAM, ROM и другие.
Источник: www.yaklass.ru
Краткий конспект лекции №2
Компьютер как формальный исполнитель алгоритмов (программ)
Компьютер — это многофункциональное электронное автоматическое устройство для накопления, обработки и передачи информации.
Работа компьютера имитирует (моделирует) информационную деятельность человека. Но компьютер — техническое устройство, поэтому для того, чтобы он выполнил определенные действия, им нужно управлять. Компьютер действует как автоматический формальный исполнитель алгоритмов обработки информации. Это главное свойство любого компьютера. Автоматизм в его работе означает, что некоторые свои действия он выполняет без вмешательства человека в соответствии со следующими общими принципами:
- Двоичное кодирование информации;
- Программное управление работой компьютера (идея Чарльза Бэббиджа);
- Хранимая программа (по предложению американского математика Джона фон Неймана (1903-1957).
Наряду с данными каждая команда программы работы компьютера, кодируемая определенной последовательностью из нулей и единиц, помещается как число в одной из ячеек оперативной памяти.
Современный компьютер — это единство аппаратных средств (hardware) и программного обеспечения (software). Компьютерная программа — это закодированная информация о действиях, которые предписывается выполнить компьютеру, алгоритм для исполнения компьютером, записанный или на языке машинных двоичных кодов, или на специальном языке программирования. Чтобы на компьютере можно было решать задачи, нужна совокупность программ — программное обеспечение.
Устройство управления (УУ) процессора воспринимает, считывая из оперативной памяти, команду за командой, анализирует, а затем организует ее выполнение, используя соответствующие устройства компьютера. Эти устройства произведут действие: напечатают на бумаге, выведут на экран, воспримут с клавиатуры, занесут на магнитный диск и т.д. Для выполнения команд самим процессором в нем предусмотрено арифметико-логическое устройство (АЛУ). Выполнив одну команду из оперативной памяти, компьютер переходит к следующей команде и так, пока не встретит команду на окончание работы или команду, которую не сможет выполнить.
Основными компонентами компьютера являются: процессор, память и устройства ввода-вывода (Рис. 2). Процессор и память – это центральные устройства компьютера. Указанная ниже схема отражает циркуляцию информационных потоков в компьютере.
Особенности работы процессора и оперативной памяти
Внешне процессор – это маленькая металлическая или керамическая плоская коробочка (Рис. 3). Именно он руководит работой всех частей ЭВМ. Конечно, «главнокомандующий» процессор сам всего лишь исправно исполняет команды, подготовленные для него человеком.
Оперативная память – это запоминающее устройство, предназначенное для хранения информации, непосредственно участвующей в процессе выполнения операций, выполняемых процессором.
Оперативную память называют еще по другому «Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)», или просто «память» (как в приведенной выше схеме). Информационный объем оперативной памяти персонального компьютера обычно составляет от 32 до 256 Мб и выше.
Оперативная память является энергозависимым устройством: при выключении питания ее содержимое полностью стирается.
Внешний вид модуля (чипа) оперативной памяти приведен на Рис. 4.
Процессор связан только с оперативной памятью. Как это согласуется с тезисом, что именно процессор управляет всеми устройствами и, следовательно, связан с каждым из них? Дело в том, что указанная схема в первую очередь отражает не процессы управления в компьютере, а циркуляцию в нем информационных потоков. Она подчеркивает, что вся информация в компьютере поступает только в оперативную память и выдается именно из нее.
Кроме того, у центрального процессора есть помощники – контроллеры, которые управляют периферийными устройствами и каналами связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления данным оборудованием.
В каждом современном компьютере имеется еще и сверхоперативная память, называемая кэш-памятью. Она предназначена для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и скорости ее извлечения из оперативной памяти. Для работы с кэш-памятью имеется специальный контроллер, который анализирует выполняемую программу и пытается определить, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и загружает их в кэш-память.
Конечно, бывают как попадания, так и промахи. Отношение числа попаданий к числу промахов определяет эффективность кэширования. Современные процессоры имеют, как правило, встроенную кэш-память объемом 128—256 Кб.
Но и этим не исчерпывается внутренняя память компьютера. Каждый компьютер имеет постоянное запоминающее устройство (сокращенно ПЗУ). Это энергонезависимая память, используемая для хранения информации, которая никогда не изменяется: из ПЗУ информацию можно только считывать.
Важную роль играет и перепрограммируемая постоянная память (флэш-память). Это тоже энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись всего содержимого.
Во флэш-памяти хранится так называемая BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода) – совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения компьютера и для загрузки операционной системы в оперативную память.
Источник: studfile.net
Компьютер-исполнитель команд. Программный принцип работы компьютера
1. «Компьютер-исполнитель команд. Программный принцип работы компьютера»
2.
Алгоритм – последовательность действий,
описывающая процесс преобразования объекта из
начального состояния в конечное, записанная с
помощью понятных исполнителю команд.
Исполнителем алгоритма может быть человек или
автоматическое устройство – компьютеры, роботы,
станки, спутники, сложная бытовая техника и даже
детские игрушки. Каждый алгоритм создается в
расчете на вполне конкретного исполнителя.
3.
Компьютер, как исполнитель, любую работу выполняет
по программе. Программы пишут люди, а компьютер
формально их выполняет.
4.
Разработчики систем искусственного интеллекта
пытаются научить машину, подобно человеку,
самостоятельно строить программу своих действий,
исходя из условия задачи.
Ставится цель превращения компьютера из формального
исполнителя в интеллектуального исполнителя.
5.
Работа обоих исполнителей состоит из четырёх блоков,
но формальный исполнитель работает по уже готовой
программе, а интеллектуальный – сам составляет
программу и получает результат.
Информация для компьютера — данные, представленные
в форме, приемлемой для её передачи и обработки на
компьютере.
Для работы с данными компьютеру необходимы
инструкции (команды, правила действия). Команды
формируются в перечень команд.
6. Согласно фон Нейману, ЭВМ состоит из следующих основных блоков:
арифметико-логическое устройство, выполняющее
арифметические и логические операции;
устройство управления, которое организует процесс
выполнения программ;
запоминающее устройство, или память, для хранения
программ и данных;
внешние устройства для ввода-вывода информации.
7. В современных компьютерах это:
память (запоминающее устройство — ЗУ), состоящая
из перенумерованных ячеек;
процессор, включающий в себя устройство
управления (УУ) и арифметико-логическое устройство
(АЛУ);
устройство ввода;
устройство вывода.
Эти устройства соединены между собой каналами
связи, по которым передается информация.
8.
9. Функции памяти:
прием информации из других устройств; запоминание информации;
выдача информации по запросу в другие устройства
машины.
10. Функции процессора:
обработка данных по заданной программе путем
выполнения арифметических и логических операций;
программное управление работой устройств
компьютера.
11.
Компьютер является универсальным исполнителем по
обработке информации. Значит, для него, как для
любого исполнителя, существует определённая
система команд (СКИ). Такая система команд для
компьютера называется языком машинных
команд (ЯМК)
12.
Программа для компьютера – это алгоритм, разработанный
на ЯМК. Или, Программа управления компьютером –
это последовательность команд ЯМК, где каждая команда –
директива для процессора на выполнение определённого
действия.
Согласно принципам Джона фон Неймана, программа во время её
исполнения и данные, которые она обрабатывает, находятся в
оперативной памяти (принцип хранимой в памяти программы).
Процессор исполняет программу начиная с первой команды и
заканчивая последней.
13.
Для компьютера вся информация должна быть
представлена в двоичных кодах, т.е. необходим способ
перевода. Такой способ перевода
называется трансляцией, а выполняет это транслятор.
14.
Устройством, которое обрабатывает информацию в компьютере, является процессор,
следовательно, алгоритм должен использовать систему команд процессора, или другими
словами записан на машинном языке, представляющем собой последовательности нулей
и единиц
Сначала программисты, работавшие на компьютерах первого поколения (50-е – 60-е г.),
составляли программы на ЯМК (в двоичных кодах), но это довольно сложная работа,
поэтому для облегчения программирования были созданы языки программирования
высокого уровня (ЯПВУ) — это искусственно созданные языки с несколькими десятками
слов (операторов) и строгими правилами синтаксиса. Составление программ на ЯПВУ
намного проще. Примеры ЯПВУ: Фортран, Паскаль, Бейсик, Си и др.
Для того чтобы процессор мог выполнить программу, написанную на языке
программирования, она и данные с которыми она работает должны быть загружены в
оперативную память. Программа написана и загружена в оперативную память и для того
чтобы процессор ее выполнил в оперативной памяти, должна быть еще и программа
переводчик (транслятор), который переводит программу с языка высокого уровня на
язык машинных команд
Таким образом, цепочка событий от составления программы на ЯПВУ до получения
результатов решения задачи выглядит так
Человек всегда должен понимать ограниченность возможность компьютера как
исполнителя, необходимость предусмотреть все тонкости команд, поручаемых
компьютеру. Человек разрабатывает алгоритм, записывает его на ЯПВУ и анализирует
результаты выполнения программы.
15.
Устройством, которое обрабатывает информацию в компьютере, является процессор, следовательно, алгоритм
должен использовать систему команд процессора, или другими словами записан на машинном языке,
представляющем собой последовательности нулей и единиц
Сначала программисты, работавшие на компьютерах первого поколения (50-е – 60-е г.), составляли программы на
ЯМК (в двоичных кодах), но это довольно сложная работа, поэтому для облегчения программирования были
созданы языки программирования высокого уровня (ЯПВУ) — это искусственно созданные языки с несколькими
десятками слов (операторов) и строгими правилами синтаксиса. Составление программ на ЯПВУ намного
проще. Примеры ЯПВУ: Фортран, Паскаль, Бейсик, Си и др.
Для того чтобы процессор мог выполнить программу, написанную на языке программирования, она и данные с
которыми она работает должны быть загружены в оперативную память. Программа написана и загружена в
оперативную память и для того чтобы процессор ее выполнил в оперативной памяти, должна быть еще и
программа переводчик (транслятор), который переводит программу с языка высокого уровня на язык
машинных команд
Таким образом, цепочка событий от составления программы на ЯПВУ до получения результатов решения задачи
выглядит так
Человек всегда должен понимать ограниченность возможность компьютера как исполнителя, необходимость
предусмотреть все тонкости команд, поручаемых компьютеру. Человек разрабатывает алгоритм, записывает его
на ЯПВУ и анализирует результаты выполнения программы.
16.
Компьютер является формальным исполнителем программ.
Итак, компьютер не может обойтись без программы и исходных
данных, подготовить их может только человек.
Поэтому можно говорить, что решение задач компьютером — это
формальное исполнение алгоритма (программы), а компьютер
является формальным исполнителем.
Компьютер может быть использован для решения самых
разнообразных задач, поэтому, исходя из условия задачи,
человек решает, каким программным средством пользоваться.
Если в состав ПО входят программы, подходящие для решения
задач человека, то удобнее ими воспользоваться (текстовый
редактор, электронные таблицы, базы данных, презентации).
В случае, если нельзя воспользоваться готовым программным
обеспечением, приходится прибегать к программированию
(операционные системы, доработка ОС, трансляторы,
драйверы, архиваторы, антивирусы).
17. Принцип программы, хранимой в памяти компьютера, считается важнейшей идеей современной компьютерной архитектуры. Суть идеи
заключается в том, что
1) программа вычислений вводится в память ЭВМ и
хранится в ней наравне с исходными числами;
2) команды, составляющие программу, представлены в
числовом коде по форме ничем не отличающемся от
чисел.
18.
В основу работы компьютеров положен
программный принцип управления, состоящий в
том, что компьютер выполняет действия по
заранее заданной программе.
Программное и аппаратное обеспечение в компьютере
работают в неразрывной связи и взаимодействии.
Состав программного обеспечения вычислительной
системы называется программной конфигурацией.
Источник: ppt-online.org