Программы принцип работы компьютера

В XIX веке английским математиком и инженером Чарльзом Бэббиджем был разработан проект вычислительной машины, которая предназначалась для автоматического проведения длинных цепочек вычислений. Главной особенностью конструкции этой машины является программный принцип работы.

Чарльза Беббиджа считают изобретателем компьютера – он впервые соединил механический арифмометр с идеей программного управления.

По своему назначению компьютер – это универсальный прибор для работы с информацией.

В основу работы компьютеров положен программный принцип управления. Любой компьютер представляет собой автоматическое устройство, работающее по заложенным в него программам.

Первая вычислительная машина, способная хранить программу в своей памяти, разрабатывалась в 1943—1948 гг. в США под руководством Джона Мочли и Преснера Экерта.

В1945 г. к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств.

Принцип работы компьютера скопирован с человеческого организма

Первый компьютер, в котором были полностью реализованы эти принципы, был построен в 1949 г. английским исследователем Морисом Уилксом. Изменяется элементная база, компьютеры становятся все более и более мощными, но до сих пор большинство из них соответствуют тем принципам, которые изложил в своем докладе в 1945 г. Джон фон Нейман.

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.

Устройства компьютера

В современных компьютерах это:

• память (запоминающее устройство — ЗУ), состоящая из перенумерованных ячеек;

• процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ);

Эти устройства соединены между собой каналами связи, по которым передается информация.

Общая схема компьютера

– сигнал управления; – информационный сигнал

Функции памяти: • прием информации из других устройств; • запоминание информации; • выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Функции процессора: • обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций; • программное управление работой устройств компьютера.

Одна часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством, а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, — устройством управления. Обычно эти устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.

В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами. Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером.

Принцип работы ПК

Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определенным образом общей системой управления.

Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:

• сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции;

• счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды. Он служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;

• регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов.

Источник: infopedia.su

Принцип работы компьютера. Компьютер для «чайников»

Сегодня компьютерные устройства настолько прочно вошли в нашу жизнь, что представить себе наше существование без них кажется невозможным. Однако большинство пользователей практически никогда не задумывается о том, как же работают все эти системы. Далее будет рассмотрено, как устроен компьютер (для «чайников», так сказать). Конечно, описать все подробно и осветить все технические стороны не получится (да это большинству и не нужно). Поэтому ограничимся основными аспектами, говоря простым «человеческим» языком.

Компьютер для «чайников»: основные компоненты

Говоря об устройстве любого компьютерного устройства, следует четко понимать, что в основе своей он состоит из аппаратной и программной части.

Под аппаратной частью понимают все подключенные устройства, которые, если можно так выразиться, можно потрогать руками (процессоры, планки памяти, жесткие диски, мониторы, видео-, аудио- и звуковые адаптеры, клавиатуру, мышь, периферийные устройства вроде принтеров, сканеров и т. д.). В народе все эти компоненты иногда называют «компьютерным железом».

Программная часть состоит из множества компонентов, среди которых главенствующую роль играет операционная система, на основе которой производится взаимодействие между аппаратной частью и другими программами и устанавливаемые в ней драйвера устройств – специальные программы, с помощью которых ОС может взаимодействовать с самим «железом» и задействовать его при выполнении определенных задач.

Отсюда нетрудно сделать вывод о том, что главный принцип работы компьютера любого типа состоит во взаимодействии «железных» и программных компонентов. Но это только поверхностное представление. Эти процессы будут описаны несколько позже.

Компьютерное «железо»

В аппаратной части, как считают многие, на первом месте стоят процессор и оперативная память. Отчасти, это так и есть. Именно они обеспечивают выполнение всех программных команд и дают возможность запускать те или иные процессы.

С другой стороны, если копнуть глубже, ни один «железный» компонент сам по себе ничего не стоит, ведь его для использования надо куда-то подключить. И тут первостепенное значение уделяется, так называемым, материнским платам (в народе – «материнкам») – специальным устройствам, на которые монтируются все остальные компоненты, микросхемы и т. д. В этом смысле основной принцип работы компьютера (корректного функционирования без сбоев) состоит в том, чтобы правильно подключить все аппаратные компоненты через соответствующие контроллеры к специальным слотам или разъемам на самой плате. Тут есть свои правила, например, по корректному использованию шин PCI, по подключению жестких дисков и съемных дисководов с использованием принципа Master/Slave и т. д.

Отдельно стоит сказать о постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), на котором записана информация, как бы навечно, и оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), служащем для выполнения программных компонентов.

Виды программного обеспечения

Программный принцип работы компьютера подразумевает использование соответствующего программного обеспечения для выполнения поставленных задач.

В общем понимании ПО делится на несколько категорий, среди которых отдельно можно выделить системное и прикладное ПО. К системному программному обеспечению относят сами операционные системы, драйвера устройств, иногда сервисные утилиты, необходимые для обеспечения корректной работы всей системы. Это, так сказать, общая оболочка, в которую встраиваются прикладные программы и приложения. ПО этого типа имеет строгую направленность, то есть, ориентировано на выполнение какой-то определенной задачи.

Но раз речь идет именно о том, что представляют собой основные принципы работы компьютера в общем смысле, на первое место выходит именно системное ПО. Далее рассмотрим, как запускается вся компьютерная система.

Урок информатики. Компьютер: включение и проверка устройств

Наверное, многие пользователи стационарных ПК замечали, что при включении компьютера раздается характерный звук системного динамика. Мало кто обращает на него внимания, однако из факта его появления можно сделать вывод о том, что все «железные» устройства работают нормально.

Что получается? Принцип работы компьютера состоит в том, что при подаче питания на специальную микросхему, называемую устройством первичного ввода/вывода, производится тестирование всех устройств. В первую очередь идет обнаружение неполадок в работе видеоадаптера, ведь если он не в порядке, система просто не сможет вывести на экран визуальную информацию. Только потом определяется тип процессора и его характеристики, параметры оперативной памяти, жесткие диски и другие устройства. По сути, в BIOS изначально хранится информация по всему «железу».

Варианты загрузки

Кроме того, загрузка тоже может трактоваться как программный принцип работы компьютера, поскольку проверка происходит именно программным, а не физическим способом.

Тут же имеется и система выбора загрузочного устройства (жесткий диск, оптический носитель, USB-устройство, сеть, и т. д.). В любом случае дальнейший принцип работы компьютера в плане загрузки состоит в том, чтобы на устройстве присутствовала, так называемая, загрузочная запись, необходимая для старта системы.

Старт операционной системы

Для загрузки ОС необходим специальный загрузчик, который инициализирует ядро системы, записанное на жестком диске, и помещает его в оперативную память, после чего управление процессами передается уже самой ОС.

Кроме того, основная загрузочная запись может иметь и более гибкие настройки, предоставляя право выбора загружаемой системы пользователю. Если же старт производится со съемного носителя, исполняемый загрузочный код считывается с него, но загрузка в любом варианте производится только в том случае, если BIOS определит исполняемый код как действительный. В противном случае на экране появится уведомление о невозможности старта, вроде того, что загрузочный раздел не найден. При этом иногда используется таблица разделов, которая содержит информацию обо всех логических дисках, на которые может быть поделен винчестер. Кроме всего прочего, доступ к информации напрямую зависит от структуры организации файлов, которая носит название файловой системы (FAT, NTFS и др.).

Заметьте, это самая примитивная интерпретация процесса загрузки, поскольку на самом деле все гораздо сложнее.

Память компьютера: запуск программ

Итак, операционная система загрузилась. Теперь остановимся на вопросах функционирования программ и приложений. За их выполнение в первую очередь отвечают центральный процессор и оперативная память, не говоря о задействованных драйверах других устройств.

Принцип работы памяти компьютера заключается в том, что при запуске исполняемого файла программы или другого объекта из ПЗУ или съемного носителя, когда приложение исполняет как бы дополняющую роль, в оперативную память (ОЗУ) через ядро системы помещаются некоторые сопутствующие компоненты, чаще всего представляющие собой динамические библиотеки (хотя для простых программ их наличие может быть и не предусмотрено), и необходимые для работы драйверы устройств.

Они обеспечивают связь между операционной системой, самой программой и пользователем. Понятно, что чем больший объем имеет оперативная память, тем больше компонентов в нее можно загрузить и тем быстрее будет происходить их обработка. При поступлении команд взаимодействия в дело вступает центральный процессор, который и производит все вычислительные действия в системе. По завершении работы приложения или при выключении компьютера все компоненты из «оперативки» выгружаются. Но так бывает не всегда.

Изменение параметров системы

Некоторые процессы могут находиться в оперативной памяти постоянно. Поэтому их нужно останавливать вручную. В Windows-системах многие службы стартуют автоматически, а вот пользователю они оказываются совершенно ненужными. В этом случае применяется настройка автозапуска.

В самом простом варианте применяются программы-оптимизаторы, которые очищают ненужные процессы, удаляют компьютерный мусор в автоматическом режиме. Но это уже отдельный разговор.

Источник: fb.ru

Программный принцип работы компьютера. Компоненты компьютера и их функции

Компоненты компьютера и их функции знают все современные школьники, внимательно прослушавшие курс информатики. Студенты, поступившие на технические специальности, связанные с ЭВМ, тоже прекрасно ориентируются в этой сфере.

Но вот если в принципах работы современного компьютера хочет разобраться человек, в образовательной программе специфических сведений не получивший, придется поискать адекватные источники информации. Стоит признать, что некоторые авторы пишут словно бы для себя: используют множество неясных для далекого от этой области человека терминов. Понять, как устроен и работает персональный компьютер (ПК), несложно, надо просто ответственно отнестись к поставленной перед собой цели. Мир вычислительной техники действительно увлекателен!

О чем идет речь?

Прежде чем выяснять, каковы основы системного программного обеспечения, из чего состоит машина и как программировать с ее применением, сперва нужно разобраться, что за предмет оказался в фокусе внимания. Наименование его пришло к нам из английского языка. Компьютером в наши дни принято называть такую электронную машину, которую можно запрограммировать для накопления данных, обработки сведений и передачи знаний.

Самый главный, основной предмет, на котором построена ЭВМ – тактовый генератор. Именно он производит сигналы с заданными временными промежутками. Импульсы далее участвуют в рабочем процессе различных внутренних, внешних устройств ввода информации, ее обработки и вывода.

Фактически процесс управления предполагает распределение сигналов таким образом, чтобы добиться поставленной перед человеком цели. Самостоятельно направлять все сигналы куда требуется нужды нет: это происходит в автоматическом режиме при наличии соответствующего программного управления. Правда, успешным будет результат только в условиях адекватного кода без ошибок.

Как это работает?

Ключевой аспект, который всегда разъясняют в рамках курсов компьютерных для начинающих: программный принцип – вот база для рабочего процесса. Речь идет о наличии в компьютерной памяти специализированной программы. Такая идея стала самой важной для архитектуры ЭВМ на текущий момент времени. На курсах (компьютерных) для начинающих обязательно расписывают основные тезисы принципа:

• вычислительная программа записывается в электронную память, где сохраняется, как и исходные значения;
• сформированные в программу последовательности команд закодированы числами и форматом не отличаются.

Основной постулат программного принципа работы компьютера

Общее описание компьютера всегда начинается с декларирования этого управленческого принципа, обусловленного наличием написанного заранее кода, который машина должна исполнить. Такая идея стала базой понимания универсальности ЭВМ: в конкретный временной промежуток решается такая задача, которая регламентирована актуализированной программой.

Как только результат получен, можно приступать к следующей программе, проводя вычисления по описанному в ней алгоритму. Такой подход предполагает применение программного обеспечения. Программный принцип работы компьютера декларирует обязательным наличие ПО для любого современного пользователя. Что любопытно, создающие код (конечно, не любой, но все же) люди тоже применяют программы, алгоритмы, которые являются ПО.

О терминологии

Как видно из наименования, базовым понятием для современного подхода к определению принципов работоспособности ЭВМ становится программа. Через нее происходит запись данных, вывод данных из памяти на внешнее устройство, любые другие операции – расчеты, построение изображения и так далее.

Термином принято обозначать алгоритмическую запись, позволяющую получить решение сформулированной задачи последовательным исполнением операций. Программа формулируется применением операторов выбранного языка, доступного для ЭВМ. Главная задача любой современной программы – контроль за активностью аппаратных средств. Использование программ представляет собой первый признак программного принципа работы компьютера.

Как этим пользоваться?

Предположим, в рамках решения рабочей задачи человек нуждается в анализе работы предприятия, где он трудоустроен, и применительно к этому вопросу ему необходимо построить примеры компьютерных моделей. Программный принцип работы компьютера становится для него незаменимым инструментом в достижении задачи: не нужно ничего рисовать от руки и проводить объемные вычисления, необходимо лишь выбрать такую программу, которая в правильном режиме и установленном порядке активизирует аппаратные возможности машины, в конечном итоге выводящие на устройство передачи информации (монитор, принтер) результат.

С другой стороны, итоги корректными будут только в случае использования отлаженного ПО. Оно не должно требовать доработки, то есть пользователь лишь запускает продукт и пользуется понятными ему функциями, не имея специального образования, касающегося внутренней структуры ПО. Все, что ему требуется, – понимание порядка применения и знание общего описания компьютера. Программный принцип работы компьютера предусматривает наличие специализированной документации на все применяемое ПО.

Программное обеспечение

Этим термином принято характеризовать совокупность правил, процедурных наборов, программных компонентов, официальной сопроводительной документации, позволяющей обрабатывать данные и реализовывать заявленную функциональность системы.

Разбираясь, в чем суть программного принципа работы компьютера, важно учитывать, что ПО и аппаратная структура постоянно находятся в тесной взаимосвязи, функциональность одной определяется чёткостью работы другого. ПО, применяемое на современных ЭВМ, зависит от технических параметров и именуется программной конфигурацией.

Методологический подход

Программный принцип работы компьютера базируется на идеях, высказанных Бэббиджем, фон Нейманом. Принято говорить о трех ключевых компонентах:

• процессор;
• память;
• устройства, позволяющие выводить, вводить сведения.

Говоря о процессоре, принято подразделение на два устройства:

• управляющее;
• обеспечивающее логические, арифметические операции.

Система классификации

Принято разделение ЭВМ на несколько крупных категорий:

Большие – мощные приборы, распространённые в крупных организациях, нередко работающие на благо отрасли народного хозяйства. Для обслуживания таких приборов необходимо несколько десятков профессионалов. Большие ЭВМ – базовый компонент формирования вычислительного центра. В такой огромной машине неспециалисту совершенно невозможно догадаться, какое устройство предназначено для обработки информации!

Мини – такие ЭВМ, которые имеют небольшие габариты, относительно низкую производительность, малую цену. Часто применяются компаниями, научными, исследовательскими, образовательными учреждениями. На них возложены функции контроля за производственными процессами. Микро – еще меньшие по габаритам ЭВМ, которые активно применяются не только на предприятиях, но в вычислительных центрах в качестве вспомогательного оборудования.

ПК

Пожалуй, именно эта категория техники и вызывает у широких масс такое любопытство относительно программных принципов работы компьютера. Термином принято обозначать технику, применяемую в рамках рабочего места, то есть предназначенную для одного человека. Нередко при помощи ПК делают более эффективным учебный, рабочий процесс, но этим функциональность не ограничивается. Международная стандартизация позволила ввести разбиение на группы. Выделяют следующие категории:

• массовые;
• офисные;
• мобильные;
• рабочие;
• игровые.

Зачем нужны?

В зависимости от более или менее широкой направленности на решение задач принято говорить о специализации ЭВМ. Существуют:

• универсальные;
• специализированные.

Первые предназначены для широкого спектра задач, вычислительные системы можно комплектовать по собственному желанию, подбирая оптимальные структурные элементы. Компьютер, полученный в результате, будет эффективен для рабочих процессов, редактирования текста или музыкальных файлов и так далее.

Специализированные – это машины, созданные в расчете на определённую направленность работы. К таким принадлежат бортовые компьютеры, устанавливаемые в воздушных суднах, автомобилях. Исследуя такую машину, неопытный пользователь вряд ли сможет сразу разобраться, какое устройство предназначено для обработки информации! Многие из них отличаются обилием экранов, счетчиков, датчиков, огоньков – глаза просто разбегаются. Поэтому для применения на практике такого прибора сперва придется пройти специализированный курс освоения.

Данные: хранить и обрабатывать

Программный принцип работы компьютера заключается в исполнении заданных программ, что в результате продуцирует полезную информацию, применяемую пользователем для решения стоящих перед ним задач. Фактически ЭВМ – исполнитель заданного человеком набора шаблонных команд, называемых алгоритмом. Идеи конструирования основаны на булевой алгебре. Фактически в машину загружают в понятном для ЭВМ формате набор предписаний, позволяющих последовательно выполнить ограниченное количество действий, по итогам чего будет получен нужный человеку результат. Алгоритм характеризуется наименованием, начальной точкой, конечной.

Представление о том, в чем суть программного принципа работы компьютера, можно получить, если проанализировать основные характеристики алгоритма:

• дискретность (набор команд формируется заданными действиями, для которых декларирован порядок);
• детерминированность (каждое действие строго определено, не может иметь более одного смысла);
• конечность (действия по отдельности, алгоритм в целом обязательно имеют путь завершения);
• результативность (отсутствие ошибок, доказуемое получением результата за конечное количество итераций);
• массовость (применимость к большому числу однотипных задач, отличных разбросом исходных параметров).

Три принципа Неймана

Эти постулаты были воплощены в реальность в 1946-м, когда удалось построить первую ЭВМ в истории человечества. Принципы Неймана:

• программное управление;
• однородность памяти;
• адресность.

А если поподробнее?

Управленческий принцип предполагает наличие командного набора, последовательно исполняемого процессором в автоматическом режиме.

Однородность памяти предполагает накопление сведений в одном типе памяти, что позволяет исключить необходимость определения характера данных в заданной ячейке. И программы, и данные сохраняются вместе, что позволяет применять к ним одинаковые последовательности действий. Пользователь, умело пользуясь такой особенностью, получает широкие возможности. Скажем, запустив программу, можно работать над ней, выбирая правила получения частей.

Адресность гласит, что компьютерная память структурирована, сформирована ячейками, у каждой из них есть свой уникальный номер. Процессор в любой момент времени может потребовать информацию из произвольной ячейки, упорядоченная структура обеспечит максимально быстрый доступ к нужным сведениям. Разные области памяти могут быть поименованы по-разному, программы, записанные в них, просто ищутся, а накопление информации о структурированности позволяет упростить процедуру обращения. Кроме того, используя присвоенные имена, проще менять записанные сведения, исполняя выбранный программный набор действий.

Данные и программное представление

Любая информация может обрабатываться современными ЭВМ: графики, картинки, текст, звук. Обусловлено это возможностью конвертирования в такой формат, который понятен для аппаратного уровня. Процессор получает инструкцию, на основании которой производит операции. Решение задачи сопровождается последовательностью мероприятий, нередко включающей в себя неисчислимо много операций. Ее именуют программой.

ПО, которым располагает современный пользователь, появилось не одномоментно. Несколько десятилетий у передовых умов нашего мира ушло на разработку основных принципов построения программ, отладку оптимальных операций, позволяющих быстро и эффективно получать результат с минимальной загруженностью аппаратного обеспечения. ПО современного компьютера – совокупность таких программ.

ПО: особенности

Ни один обычный современный пользователь не сможет работать, если ЭВМ не оснащена системным ПО. Главный компонент этого комплекса – операционная система, признанная базовой составляющей ПО. Этот элемент необходим, его отсутствие делает невозможным работу компьютера в понимании обычного человека. Помимо ОС категория системного ПО включает в себя разнообразные обслуживающие проекты, сервисные программы. Некоторые из них занимаются дисками, другие сжимают данные, противостоят атакам вредоносных программ и так далее.

Чтобы можно было с применением ЭВМ решать поставленные перед пользователем задачи, необходимо располагать программным ПО. Такие проекты помогают формировать графическую информацию, рисунки, звуки, тексты, позволяют совершать операции с числовыми данными. Категория прикладного ПО подразделяется на:

• приложения;
• системы для программирования.

Прикладное ПО

Системы программирования необходимы профессионалам, работающим в сфере создания новых продуктов для ЭВМ. Разработано несколько языков программирования, наиболее широко распространено в настоящее время семейство для объектно-ориентированного программирования. Большой популярностью пользуются визуальные среды. Даже начинающий при применении таких продуктов может освоить базовые операции кодирования и составить собственный работоспособный продукт.

Приложения – это несколько иной тип прикладного ПО. Через него происходит обработка текстовых массивов, графической и звуковой информации, чисел и видео. Можно применять специализированные программы для сетевой работы. Использование продуктов не требует наличия навыков программирования.

Общие приложения, позволяющие решать классические задачи, требуются практически любому пользователю. К числу таковых относят редакторы текста, графики, таблицы, системы, позволяющие централизованно управлять накапливающими данные базами. Не стоит упускать из вида и продукты, посредством которых можно создавать презентации. Компьютерные сети, активно развивающиеся в последнее время, существенно повысили важность программ для обеспечения коммуникации пользователей.

Какие еще бывают приложения?

Некоторые предлагают в отдельную группу выделять антивирусные программы, значимость которых из года в год растет из-за повышения распространённости вредоносного ПО. Заслуживают внимания профессиональные программные среды, применяемые квалицированными пользователями. Такие используются для создания анимации, графики, помогают разрабатывать проекты, производить сложные бухгалтерские расчеты, переводить тексты. Исключительно ценны для многих современных пользователей электронные словари.

Важная категория ПО – обучающие приложения, позволяющие повысить свой уровень в выбранной специализации без привлечения третьих лиц. Наиболее актуально это применительно к иностранным языкам. Спросом пользуют тесты, репетиторы, запрограммированные в электронном формате.

ОС: функциональность

ОС работает в тесном взаимодействии с аппаратурой ЭВМ, управляет техникой, передает команды пользователя в понятном для машины формате. Функциональность ОС:

• обмен данных между устройствами;
• хранение данных, обеспечение их доступности;
• организованность исполнения рабочих процессов;
• отчет об ошибках, адекватная реакция на аварию;
• контроль за работой оборудования;
• доступ к системным средствам;
• обеспечение взаимного диалога машины и пользователя.

Источник: www.syl.ru