Οι αρχές του Von Neumann για την κατασκευή ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή. Αρχιτεκτονική Von Neumann: η ιστορία του όρου Οι αρχές του von Neumann

Τι επιτεύγματα στην επιστήμη των υπολογιστών έκανε ο John von Neumann τον εικοστό αιώνα, θα μάθετε από αυτό το άρθρο.

Πριν μιλήσουμε για τα επιτεύγματά του στην επιστήμη των υπολογιστών, αξίζει να μιλήσουμε για τα πρώτα βήματα του επιστήμονα στο μονοπάτι της επιστήμης. Το πρώτο του έργο, «Towards the Introduction of Transfinite Ordinal Numbers», δημοσιεύτηκε το 1923 στο Πανεπιστήμιο του Szeged, όπου σπούδασε. Στη διδακτορική του διατριβή ανέπτυξε ένα σύστημα αξιωμάτων. Το 1925, ο Neumann υπερασπίστηκε τη διατριβή του με θέμα «Αξιωματική κατασκευή της θεωρίας συνόλων» στο Πανεπιστήμιο της Βουδαπέστης και έλαβε δίπλωμα χημικού μηχανικού από το Πανεπιστήμιο της Ζυρίχης. Το 1927 έγινε ιδιώτης στο Πανεπιστήμιο του Βερολίνου και δύο χρόνια αργότερα στο Πανεπιστήμιο του Αμβούργου. Το 1931 έλαβε θέση καθηγητή στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον.

Τα επιτεύγματα του John von Neumann στην επιστήμη των υπολογιστών

Το 1943 - 1946 κατασκευάστηκε ο πρώτος υπολογιστής (ηλεκτροϋπολογιστής) που ονομάστηκε ENIAC. Ο John von Neumann πρότεινε στους προγραμματιστές του πώς να απλοποιήσουν τον προγραμματισμό του μηχανήματος τροποποιώντας το. ΕΝΑ στη δημιουργία της δεύτερης μηχανής EDVAC -έλαβε ήδη ενεργό μέρος στην ανάπτυξη ενός ηλεκτρονικού αυτόματου υπολογιστή με διακριτές μεταβλητές. Ήταν υπεύθυνος για την ανάπτυξη ενός λεπτομερούς λογικού διαγράμματος της μηχανής, στο οποίο τα εξιδανικευμένα υπολογιστικά στοιχεία ήταν δομικές μονάδες. Αυτά τα εξιδανικευμένα στοιχεία έγιναν ένα βήμα μπροστά στην επιστήμη των υπολογιστών, καθώς κατέστησαν δυνατό τον διαχωρισμό του λογικού κυκλώματος από την τεχνική του εφαρμογή.

Ο John von Neumann πρότεινε τη χρήση ενός συστήματος ηλεκτροστατικής μνήμης αντί για μια γραμμή καθυστέρησης ως στοιχεία μνήμης. Το νεοδημιουργημένο μηχάνημα ονομάστηκε JONIAC, προς τιμήν του Neumann.

Οι επιστημονικές εργασίες του συγγραφέα είναι «Στα θεμέλια της κβαντικής μηχανικής», «Μαθηματική αιτιολόγηση της κβαντικής μηχανικής», «Θεωρητική και πιθανολογική κατασκευή της κβαντικής μηχανικής», «Θερμοδυναμική κβαντομηχανικών συστημάτων», «Προς τη θεωρία απόδειξης του Χίλμπερτ», « Προς τη θεωρία των στρατηγικών παιχνιδιών», «Σχετικά με τον ορισμό μέσω της διεξοδικής επαγωγής και συναφή ζητήματα της γενικής θεωρίας συνόλων», «Σε ένα πρόβλημα συνέπειας της αξιωματικής θεωρίας συνόλων».

Εκτός από το γεγονός ότι αυτός συμμετείχε στη δημιουργία ενός υπολογιστή, ο επιστήμονας ήταν ο πρώτος που διατύπωσε τις αρχές λειτουργίας του υπολογιστή.Αρχές που διατυπώθηκαν από τον John von Neumann:

• Η αρχή ενός δυαδικού συστήματος για τον υπολογισμό εντολών και δεδομένων.
• Η αρχή του ελέγχου του προγράμματος. Ένα πρόγραμμα είναι ένα σύνολο εντολών που εκτελούνται από τον επεξεργαστή με μια συγκεκριμένη σειρά.
• Η αρχή της ομοιογένειας της μνήμης. Όλα τα δεδομένα αποθηκεύονται και κωδικοποιούνται σε μία μνήμη.
• Η αρχή της διεύθυνσης μνήμης. Η μνήμη αποτελείται από αριθμημένα κελιά και ο επεξεργαστής έχει τυχαία πρόσβαση σε οποιοδήποτε από αυτά.
• Η αρχή του διαδοχικού ελέγχου προγράμματος. Οι εντολές που είναι αποθηκευμένες στη μνήμη εκτελούνται μία κάθε φορά μετά την ολοκλήρωση της προηγούμενης εντολής.
• Η αρχή της υπό όρους μετάβασης. Διατυπώθηκε

· χρήση δυαδικό σύστημανα αναπαριστούν αριθμούς. Το έργο του Von Neumann κατέδειξε τα πλεονεκτήματα του δυαδικού συστήματος για τεχνική υλοποίηση, την ευκολία εκτέλεσης αριθμητικών και λογικών πράξεων. Αργότερα άρχισαν να επεξεργάζονται μη αριθμητικούς τύπους πληροφοριών: κείμενο, γραφικό, ήχο κ.λπ. Η δυαδική κωδικοποίηση είναι η βάση ενός σύγχρονου υπολογιστή.

· Αρχές αποθηκευμένου προγράμματος. Ένα πρόγραμμα γραμμένο με δυαδικούς κωδικούς πρέπει να αποθηκευτεί στην ίδια μνήμη με τα δεδομένα που υποβάλλονται σε επεξεργασία.

· αρχή της στόχευσης. Οι εντολές και τα δεδομένα μετακινούνται σε τοποθεσίες μνήμης που είναι προσβάσιμες μέσω διεύθυνσης. Η διεύθυνση ενός κελιού είναι ο αριθμός του, η θέση των πληροφοριών στη μνήμη RAM είναι επίσης κωδικοποιημένη με τη μορφή δυαδικών συστημάτων.

Σε έναν υπολογιστή, σύμφωνα με την αρχή του von Neumann, οι οδηγίες διαβάζονται διαδοχικά από τη μνήμη και εκτελούνται. Ο αριθμός (διεύθυνση) του επόμενου κελιού μνήμης από το οποίο εξάγεται η εντολή προγράμματος δημιουργείται και αποθηκεύεται σε μια ειδική συσκευή μετρητή προγράμματος.

Σύμφωνα με τις αρχές του von Neumann, ένας υπολογιστής πρέπει να περιέχει τις ακόλουθες συσκευές:

· Μια αριθμητική λογική μονάδα (ALU) έχει σχεδιαστεί για να επεξεργάζεται κωδικοποιημένες πληροφορίες και μπορεί να εκτελεί αριθμητικές και λογικές πράξεις:;

· Η συσκευή ελέγχου (CU) οργανώνει την εκτέλεση των προγραμμάτων.

· Μνήμη ή συσκευή αποθήκευσης (μνήμη) - αποθήκευση προγραμμάτων και δεδομένων. Η μνήμη του υπολογιστή αποτελείται από έναν αριθμό αριθμημένων κελιών. Κάθε ένα από αυτά μπορεί να περιέχει επεξεργασμένα δεδομένα ή οδηγίες προγράμματος.

· Εξωτερικές συσκευές για εισαγωγή και έξοδο πληροφοριών, παρέχουν άμεση και ανατροφοδότηση.

Ας εξετάσουμε τη σύνθεση και τον σκοπό των κύριων μπλοκ PC (Εικ. 2).

Ρύζι. 2.Μπλοκ διάγραμμα ενός προσωπικού υπολογιστή

Μικροεπεξεργαστής (MP).Αυτή είναι η κεντρική μονάδα του υπολογιστή, σχεδιασμένη για να ελέγχει τη λειτουργία όλων των μπλοκ του μηχανήματος και να εκτελεί αριθμητικές και λογικές πράξεις σε πληροφορίες.

Ο μικροεπεξεργαστής περιλαμβάνει:

§ συσκευή ελέγχου(CU) – δημιουργεί και παρέχει σε όλα τα μπλοκ του μηχανήματος τη σωστή στιγμή ορισμένα σήματα ελέγχου (παλμοί ελέγχου), που καθορίζονται από τις ιδιαιτερότητες της εκτελούμενης λειτουργίας και τα αποτελέσματα προηγούμενων εργασιών. δημιουργεί διευθύνσεις κυψελών μνήμης που χρησιμοποιούνται από τη λειτουργία που εκτελείται και μεταδίδει αυτές τις διευθύνσεις στα αντίστοιχα μπλοκ υπολογιστή. η συσκευή ελέγχου λαμβάνει μια ακολουθία αναφοράς παλμών από τη γεννήτρια παλμών ρολογιού.

§ αριθμιτική μονάδα λογικής(ALU) – έχει σχεδιαστεί για να εκτελεί όλες τις αριθμητικές και λογικές πράξεις σε αριθμητικές και συμβολικές πληροφορίες (σε ορισμένα μοντέλα Η/Υ, ένα πρόσθετο μαθηματικός συνεπεξεργαστής)·

§ μνήμη μικροεπεξεργαστή(MPP) – χρησιμεύει για βραχυπρόθεσμη αποθήκευση, καταγραφή και έξοδο πληροφοριών που χρησιμοποιούνται απευθείας στους υπολογισμούς στους επόμενους κύκλους λειτουργίας του μηχανήματος. Το MPP βασίζεται σε καταχωρητές και χρησιμοποιείται για να εξασφαλίσει υψηλή ταχύτητα του μηχανήματος, επειδή η κύρια μνήμη (RAM) δεν παρέχει πάντα την ταχύτητα εγγραφής, αναζήτησης και ανάγνωσης πληροφοριών που είναι απαραίτητες για την αποτελεσματική λειτουργία ενός μικροεπεξεργαστή υψηλής ταχύτητας. Μητρώα– Κυψέλες μνήμης υψηλής ταχύτητας διαφόρων μηκών (σε αντίθεση με τις κυψέλες OP, οι οποίες έχουν τυπικό μήκος 1 byte και χαμηλότερη ταχύτητα).

§ σύστημα διασύνδεσης μικροεπεξεργαστή– υλοποιεί σύζευξη και επικοινωνία με άλλες συσκευές Η/Υ. περιλαμβάνει μια εσωτερική διεπαφή MP, καταχωρητές αποθήκευσης buffer και κυκλώματα ελέγχου για τις θύρες εισόδου/εξόδου (I/O) και το δίαυλο συστήματος. Διεπαφή(διεπαφή) – ένα σύνολο μέσων για τη σύζευξη και την επικοινωνία συσκευών υπολογιστών, διασφαλίζοντας την αποτελεσματική αλληλεπίδρασή τους. Θύρα εισόδου/εξόδου(I/O – Θύρα εισόδου/εξόδου) – εξοπλισμός διασύνδεσης που σας επιτρέπει να συνδέσετε μια άλλη συσκευή υπολογιστή στον μικροεπεξεργαστή.

Γεννήτρια ρολογιού.Παράγει μια ακολουθία ηλεκτρικών παλμών. η συχνότητα των παραγόμενων παλμών καθορίζει τη συχνότητα ρολογιού του μηχανήματος.

Το χρονικό διάστημα μεταξύ γειτονικών παλμών καθορίζει το χρόνο ενός κύκλου λειτουργίας του μηχανήματος ή απλά κύκλος λειτουργίας του μηχανήματος.

Η συχνότητα της γεννήτριας παλμών ρολογιού είναι ένα από τα κύρια χαρακτηριστικά ενός προσωπικού υπολογιστή και καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την ταχύτητα της λειτουργίας του, επειδή κάθε λειτουργία στο μηχάνημα εκτελείται σε συγκεκριμένο αριθμό κύκλων ρολογιού.

Δίαυλος συστήματος.Αυτό είναι το κύριο σύστημα διεπαφής ενός υπολογιστή, που εξασφαλίζει τη σύζευξη και την επικοινωνία όλων των συσκευών του μεταξύ τους.

Ο δίαυλος συστήματος περιλαμβάνει:

§ δίαυλο δεδομένων κωδικού(KSD), που περιέχει καλώδια και κυκλώματα διεπαφής για παράλληλη μετάδοση όλων των δυαδικών ψηφίων του αριθμητικού κώδικα (μηχανής λέξης) του τελεστή.

§ δίαυλο κωδικού διεύθυνσης(KSA), συμπεριλαμβανομένων των καλωδίων και των κυκλωμάτων διασύνδεσης για παράλληλη μετάδοση όλων των bit του κωδικού διεύθυνσης μιας κύριας κυψέλης μνήμης ή μιας θύρας εισόδου/εξόδου μιας εξωτερικής συσκευής.

§ δίαυλο κωδικών εντολών(KShI), που περιέχει καλώδια και κυκλώματα διασύνδεσης για τη μετάδοση οδηγιών (σήματα ελέγχου, παλμοί) σε όλα τα μπλοκ του μηχανήματος.

§ ηλεκτρικό λεωφορείο,με καλώδια και κυκλώματα διασύνδεσης για τη σύνδεση μονάδων Η/Υ στο σύστημα τροφοδοσίας.

Ο δίαυλος συστήματος παρέχει τρεις κατευθύνσεις μεταφοράς πληροφοριών:

1) μεταξύ του μικροεπεξεργαστή και της κύριας μνήμης.

2) μεταξύ του μικροεπεξεργαστή και των θυρών εισόδου/εξόδου εξωτερικών συσκευών.

3) μεταξύ της κύριας μνήμης και των θυρών I/O των εξωτερικών συσκευών (σε λειτουργία άμεσης πρόσβασης στη μνήμη).

Όλα τα μπλοκ, ή μάλλον οι θύρες I/O τους, συνδέονται με τον δίαυλο με τον ίδιο τρόπο μέσω των αντίστοιχων ενοποιημένων συνδέσμων (αρθρώσεων): απευθείας ή μέσω ελεγκτές (προσαρμογείς).Ο δίαυλος συστήματος ελέγχεται από τον μικροεπεξεργαστή είτε απευθείας είτε, πιο συχνά, μέσω ενός πρόσθετου τσιπ - ελεγκτής λεωφορείου,δημιουργώντας τα κύρια σήματα ελέγχου. Η ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ εξωτερικών συσκευών και του διαύλου συστήματος πραγματοποιείται με χρήση κωδικών ASCII.

Κύρια μνήμη (RAM).Έχει σχεδιαστεί για την αποθήκευση και την άμεση ανταλλαγή πληροφοριών με άλλες μονάδες του μηχανήματος. Το OP περιέχει δύο τύπους συσκευών αποθήκευσης: μνήμη μόνο για ανάγνωση (ROM) και μνήμη τυχαίας πρόσβασης (RAM).

ROMχρησιμεύει για την αποθήκευση αμετάβλητων (μόνιμων) πληροφοριών προγράμματος και αναφοράς, σας επιτρέπει να διαβάζετε γρήγορα μόνο τις πληροφορίες που είναι αποθηκευμένες σε αυτό (οι πληροφορίες στη ROM δεν μπορούν να αλλάξουν).

ΕΜΒΟΛΟσχεδιασμένο για ηλεκτρονική καταγραφή, αποθήκευση και ανάγνωση πληροφοριών (προγραμμάτων και δεδομένων) που εμπλέκονται άμεσα στη διαδικασία πληροφοριών και υπολογισμού που εκτελούνται από τον Η/Υ στην τρέχουσα χρονική περίοδο. Τα κύρια πλεονεκτήματα της RAM είναι η υψηλή της απόδοση και η δυνατότητα πρόσβασης σε κάθε κυψέλη μνήμης ξεχωριστά (άμεση πρόσβαση στη διεύθυνση στο κελί). Ως μειονέκτημα της μνήμης RAM, θα πρέπει να σημειωθεί ότι είναι αδύνατο να αποθηκεύσετε πληροφορίες σε αυτήν μετά την απενεργοποίηση της τροφοδοσίας του μηχανήματος (εξάρτηση από αστάθεια).

Εξωτερική μνήμη.Αναφέρεται σε εξωτερικές συσκευές του υπολογιστή και χρησιμοποιείται για μακροπρόθεσμη αποθήκευση οποιασδήποτε πληροφορίας μπορεί να χρειαστεί ποτέ για την επίλυση προβλημάτων. Συγκεκριμένα, όλο το λογισμικό υπολογιστή αποθηκεύεται σε εξωτερική μνήμη. Η εξωτερική μνήμη περιέχει διάφορους τύπους συσκευών αποθήκευσης, αλλά οι πιο συνηθισμένες, διαθέσιμες σχεδόν σε οποιονδήποτε υπολογιστή, είναι οι μονάδες σκληρού δίσκου (HDD) και οι μονάδες δισκέτας (FLMD).

Ο σκοπός αυτών των μονάδων δίσκου είναι η αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων πληροφοριών, η εγγραφή και η απελευθέρωση αποθηκευμένων πληροφοριών κατόπιν αιτήματος σε μια συσκευή μνήμης τυχαίας πρόσβασης. Οι μονάδες σκληρού δίσκου και οι μονάδες επίπεδων δίσκων διαφέρουν μόνο ως προς το σχεδιασμό, τον όγκο των αποθηκευμένων πληροφοριών και τον χρόνο που απαιτείται για την αναζήτηση, την εγγραφή και την ανάγνωση πληροφοριών.

Ως συσκευές εξωτερικής μνήμης χρησιμοποιούνται επίσης συσκευές αποθήκευσης σε μαγνητική ταινία κασέτας (streamers), μονάδες οπτικού δίσκου (CD-ROM - Compact Disk Read Only Memory - CD με μνήμη μόνο για ανάγνωση) κ.λπ. (εκ.υποδιαίρεση 4.4).

Παροχή ηλεκτρικού ρεύματος.Αυτό είναι ένα μπλοκ που περιέχει αυτόνομα και δικτυακά συστήματα τροφοδοσίας για υπολογιστή.

Μετρών την ώραν.Αυτό είναι ένα ηλεκτρονικό ρολόι στο μηχάνημα που παρέχει, εάν είναι απαραίτητο, αυτόματη καταγραφή της τρέχουσας χρονικής στιγμής (έτος, μήνας, ώρες, λεπτά, δευτερόλεπτα και κλάσματα δευτερολέπτων). Ο χρονοδιακόπτης συνδέεται με μια αυτόνομη πηγή ενέργειας - μια μπαταρία και συνεχίζει να λειτουργεί όταν το μηχάνημα αποσυνδεθεί από το δίκτυο.

Εξωτερικές συσκευές (ED).Αυτό είναι το πιο σημαντικό συστατικό οποιουδήποτε συμπλέγματος υπολογιστών. Αρκεί να αναφέρουμε ότι όσον αφορά το κόστος, τα VA αντιπροσωπεύουν μερικές φορές το 50 - 80% του συνόλου του Η/Υ. Η δυνατότητα και η αποτελεσματικότητα χρήσης Η/Υ σε συστήματα ελέγχου και στην εθνική οικονομία στο σύνολό της εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη σύνθεση και τα χαρακτηριστικά του υπολογιστή.

Οι υπολογιστές PC διασφαλίζουν την αλληλεπίδραση του μηχανήματος με το περιβάλλον: χρήστες, αντικείμενα ελέγχου και άλλους υπολογιστές. Τα VE είναι πολύ διαφορετικά και μπορούν να ταξινομηθούν σύμφωνα με έναν αριθμό χαρακτηριστικών. Έτσι, ανάλογα με το σκοπό, διακρίνονται οι ακόλουθοι τύποι συσκευών:

§ εξωτερικές συσκευές αποθήκευσης (VSD) ή εξωτερική μνήμη υπολογιστή.

§ εργαλεία διαλόγου χρήστη.

§ συσκευές εισαγωγής πληροφοριών.

§ συσκευές εξόδου πληροφοριών.

§ μέσα επικοινωνίας και τηλεπικοινωνιών.

Εργαλεία διαλόγουΟι συσκευές χρήστη περιλαμβάνουν οθόνες βίντεο (οθόνες), λιγότερο συχνά γραφομηχανές τηλεχειρισμού (εκτυπωτές με πληκτρολόγια) και συσκευές εισόδου/εξόδου ομιλίας.

Οθόνη βίντεο (οθόνη)– μια συσκευή για την εμφάνιση πληροφοριών εισόδου και εξόδου από υπολογιστή (εκ.υποδιαίρεση 4.5).

Συσκευές εισόδου/εξόδου φωνήςανήκουν στα ταχέως αναπτυσσόμενα ΜΜΕ. Οι συσκευές εισόδου ομιλίας είναι διάφορα ακουστικά συστήματα μικροφώνου, για παράδειγμα «ηχητικά ποντίκια», με πολύπλοκο λογισμικό που τους επιτρέπει να αναγνωρίζουν γράμματα και λέξεις που εκφωνούνται από ένα άτομο, να τα αναγνωρίζουν και να τα κωδικοποιούν.

Οι συσκευές εξόδου ομιλίας είναι διάφοροι συνθεσάιζερ ήχου που μετατρέπουν ψηφιακούς κώδικες σε γράμματα και λέξεις που αναπαράγονται μέσω μεγαφώνων (ηχείων) ή ηχείων που είναι συνδεδεμένα σε υπολογιστή.

ΠΡΟΣ ΤΗΝ συσκευές εισόδουσχετίζομαι:

§ πληκτρολόγιο– μια συσκευή για τη μη αυτόματη εισαγωγή αριθμητικών, κειμένων και πληροφοριών ελέγχου σε έναν υπολογιστή (εκ.υποδιαίρεση 4.5);

§ ταμπλέτες γραφικών (ψηφιοποιητές)– για χειροκίνητη εισαγωγή γραφικών πληροφοριών και εικόνων μετακινώντας έναν ειδικό δείκτη (στυλό) στο tablet. Όταν μετακινείτε το στυλό, οι συντεταγμένες της θέσης του διαβάζονται αυτόματα και αυτές οι συντεταγμένες εισάγονται στον υπολογιστή.

§ σαρωτές(μηχανές ανάγνωσης) – για αυτόματη ανάγνωση από χαρτί και εισαγωγή δακτυλόγραφων κειμένων, γραφημάτων, εικόνων, σχεδίων σε υπολογιστή. στη συσκευή κωδικοποίησης του σαρωτή σε λειτουργία κειμένου, οι χαρακτήρες ανάγνωσης, μετά από σύγκριση με περιγράμματα αναφοράς από ειδικά προγράμματα, μετατρέπονται σε κωδικούς ASCII και στη λειτουργία γραφικών, τα γραφήματα ανάγνωσης και τα σχέδια μετατρέπονται σε ακολουθίες δισδιάστατων συντεταγμένων (εκ.υποδιαίρεση 4.5);

§ χειριστές(συσκευές κατάδειξης): χειριστήριο- μοχλοβραχίονας , ποντίκι, trackball -μπάλα σε πλαίσιο, ανοιχτοχρωμο ΣΤΥΛΟκ.λπ. – για να εισαγάγετε γραφικές πληροφορίες στην οθόνη προβολής ελέγχοντας την κίνηση του δρομέα κατά μήκος της οθόνης, ακολουθούμενη από κωδικοποίηση των συντεταγμένων του δρομέα και εισαγωγή τους στον υπολογιστή.

§ οθόνες αφής– για την εισαγωγή μεμονωμένων στοιχείων εικόνας, προγραμμάτων ή εντολών από οθόνη διαχωρισμένης οθόνης σε υπολογιστή.

ΠΡΟΣ ΤΗΝ συσκευές εξόδου πληροφοριώνσχετίζομαι:

§ εκτυπωτές– συσκευές εκτύπωσης για την εγγραφή πληροφοριών σε χαρτί (εκ.υποδιαίρεση 4.5);

§ plotters (plotters)– για εξαγωγή γραφικών πληροφοριών (γραφήματα, σχέδια, σχέδια) από υπολογιστή σε χαρτί. Υπάρχουν διανυσματικά πλότερ με σχεδίαση εικόνων με χρήση στυλό και ράστερ: θερμογραφικοί, ηλεκτροστατικοί, inkjet και λέιζερ. Σύμφωνα με το σχεδιασμό, οι πλότερ χωρίζονται σε πλότερ επίπεδης επιφάνειας και τυμπάνου. Τα κύρια χαρακτηριστικά όλων των plotter είναι περίπου τα ίδια: ταχύτητα σχεδίασης – 100 - 1000 mm/s, τα καλύτερα μοντέλα έχουν έγχρωμες εικόνες και μετάδοση ημίτονο. Τα πλότερ λέιζερ έχουν την υψηλότερη ανάλυση και ευκρίνεια εικόνας, αλλά είναι τα πιο ακριβά.

συσκευές επικοινωνιών και τηλεπικοινωνιώνχρησιμοποιούνται για επικοινωνία με συσκευές και άλλο εξοπλισμό αυτοματισμού (προσαρμογείς διασύνδεσης, προσαρμογείς, μετατροπείς ψηφιακού σε αναλογικό και αναλογικό σε ψηφιακό κ.λπ.) και για τη σύνδεση Η/Υ σε κανάλια επικοινωνίας, σε άλλους υπολογιστές και δίκτυα υπολογιστών (κάρτες διεπαφής δικτύου , "αρθρώσεις" ", πολυπλέκτης μετάδοσης δεδομένων, μόντεμ).

Συγκεκριμένα, φαίνεται στο Σχ. 4.2 προσαρμογέα δικτύουείναι μια εξωτερική διεπαφή ενός υπολογιστή και χρησιμεύει για τη σύνδεσή του σε ένα κανάλι επικοινωνίας για την ανταλλαγή πληροφοριών με άλλους υπολογιστές, για εργασία ως μέρος ενός δικτύου υπολογιστών. Στα παγκόσμια δίκτυα, οι λειτουργίες ενός προσαρμογέα δικτύου εκτελούνται από έναν διαμορφωτή-αποδιαμορφωτή (μόντεμ, εκ. Ch. 7).

Πολλές από τις συσκευές που αναφέρονται παραπάνω ανήκουν σε μια υπό όρους επιλεγμένη ομάδα - πολυμέσα.

ΠΟΛΥΜΕΣΑ(multimedia - multimedia) είναι ένα σύνολο υλικού και λογισμικού που επιτρέπει σε ένα άτομο να επικοινωνεί με έναν υπολογιστή χρησιμοποιώντας μια ποικιλία φυσικών μέσων: ήχο, βίντεο, γραφικά, κείμενα, κινούμενα σχέδια κ.λπ.

Τα μέσα πολυμέσων περιλαμβάνουν συσκευές εισόδου και εξόδου ομιλίας. σαρωτές που είναι ήδη ευρέως διαδεδομένοι (καθώς επιτρέπουν την αυτόματη εισαγωγή τυπωμένων κειμένων και σχεδίων σε υπολογιστή). κάρτες υψηλής ποιότητας βίντεο (βίντεο-) και ήχου (ήχος), κάρτες λήψης βίντεο (videograber), οι οποίες καταγράφουν εικόνες από βίντεο ή βιντεοκάμερα και τις εισάγουν σε υπολογιστή. υψηλής ποιότητας ακουστικά συστήματα αναπαραγωγής και βίντεο με ενισχυτές, ηχεία ήχου, μεγάλες οθόνες βίντεο. Αλλά, ίσως, με ακόμη μεγαλύτερο λόγο, τα πολυμέσα περιλαμβάνουν εξωτερικές συσκευές αποθήκευσης υψηλής χωρητικότητας σε οπτικούς δίσκους, που χρησιμοποιούνται συχνά για την εγγραφή πληροφοριών ήχου και βίντεο.

Τα CD χρησιμοποιούνται ευρέως, για παράδειγμα, στη μελέτη ξένων γλωσσών, κανόνων κυκλοφορίας, λογιστικής, νομοθεσίας γενικά και φορολογικής νομοθεσίας ειδικότερα. Και όλα αυτά συνοδεύονται από κείμενα και σχέδια, πληροφορίες ομιλίας και κινούμενα σχέδια, μουσική και βίντεο. Σε καθαρά οικιακή πτυχή, τα CD μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αποθήκευση εγγραφών ήχου και βίντεο, π.χ. χρησιμοποιήστε αντί της συσκευής αναπαραγωγής κασέτες ήχου και κασέτες βίντεο. Αξίζει να αναφέρουμε, φυσικά, τον μεγάλο αριθμό προγραμμάτων παιχνιδιών υπολογιστή που είναι αποθηκευμένα σε CD.

Έτσι, το CD-ROM παρέχει πρόσβαση σε τεράστιους όγκους πληροφοριών που έχουν εγγραφεί σε CD, οι οποίοι είναι διαφορετικοί τόσο ως προς τη λειτουργικότητα όσο και ως προς το περιβάλλον αναπαραγωγής.

Πρόσθετα σχήματα.Στο δίαυλο συστήματος και στο PC MP μαζί με τυπικόςμπορούν να συνδεθούν εξωτερικές συσκευές και μερικές πρόσθετοςπλακέτες με ολοκληρωμένα κυκλώματα που επεκτείνουν και βελτιώνουν τη λειτουργικότητα του μικροεπεξεργαστή: μαθηματικός συνεπεξεργαστής, ελεγκτής άμεσης πρόσβασης μνήμης, συνεπεξεργαστής εισόδου/εξόδου, ελεγκτής διακοπής κ.λπ.

Μαθηματικός συνεπεξεργαστήςχρησιμοποιείται ευρέως για την ταχεία εκτέλεση πράξεων σε δυαδικούς αριθμούς κινητής υποδιαστολής, σε δεκαδικούς αριθμούς με δυαδική κωδικοποίηση και για τον υπολογισμό ορισμένων υπερβατικών, συμπεριλαμβανομένων των τριγωνομετρικών, συναρτήσεων. Ο μαθηματικός συνεπεξεργαστής έχει το δικό του σύστημα εντολών και λειτουργεί παράλληλα (σε χρόνο) με τον κύριο MP, αλλά υπό τον έλεγχο του τελευταίου. Οι λειτουργίες επιταχύνονται δεκαπλάσια. Τα τελευταία μοντέλα MP, ξεκινώντας από το MP 80486 DX, περιλαμβάνουν στη δομή τους έναν συμεπεξεργαστή.

Ελεγκτής άμεσης πρόσβασης στη μνήμηαπελευθερώνει το MP από τον άμεσο έλεγχο των μαγνητικών μονάδων δίσκου, γεγονός που αυξάνει σημαντικά την αποτελεσματική απόδοση του υπολογιστή. Χωρίς αυτόν τον ελεγκτή, η ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ του VSD και της μνήμης RAM πραγματοποιείται μέσω του καταχωρητή MP, και εάν υπάρχει, τα δεδομένα μεταφέρονται απευθείας μεταξύ του VSD και της RAM, παρακάμπτοντας το MP.

Συνεπεξεργαστής I/Oλόγω της παράλληλης εργασίας με το MP, επιταχύνει σημαντικά την εκτέλεση των διαδικασιών I/O κατά τη συντήρηση πολλών εξωτερικών συσκευών (οθόνη, εκτυπωτή, σκληρό δίσκο, σκληρό δίσκο κ.λπ.). απαλλάσσει το MP από την επεξεργασία των διαδικασιών I/O, συμπεριλαμβανομένης της εφαρμογής της λειτουργίας άμεσης πρόσβασης στη μνήμη.

Ο ελεγκτής διακοπής παίζει ζωτικό ρόλο σε έναν υπολογιστή.

Διακοπή– προσωρινή διακοπή της εκτέλεσης ενός προγράμματος με σκοπό την άμεση εκτέλεση ενός άλλου, σήμερα πιο σημαντικού (προτεραιότητας) προγράμματος

Οι διακοπές συμβαίνουν συνεχώς όταν ο υπολογιστής λειτουργεί. Αρκεί να αναφέρουμε ότι όλες οι διαδικασίες εισαγωγής/εξόδου πληροφοριών εκτελούνται χρησιμοποιώντας διακοπές, για παράδειγμα, συμβαίνουν διακοπές με χρονοδιακόπτη και εξυπηρετούνται από τον ελεγκτή διακοπής 18 φορές το δευτερόλεπτο (φυσικά, ο χρήστης δεν τις παρατηρεί).

Ελεγκτής διακοπήςεξυπηρετεί διαδικασίες διακοπής, λαμβάνει ένα αίτημα διακοπής από εξωτερικές συσκευές, καθορίζει το επίπεδο προτεραιότητας αυτού του αιτήματος και εκδίδει ένα σήμα διακοπής στο MP. Ο MP, έχοντας λάβει αυτό το σήμα, αναστέλλει την εκτέλεση του τρέχοντος προγράμματος και προχωρά στην εκτέλεση ενός ειδικού προγράμματος για την εξυπηρέτηση της διακοπής που ζήτησε η εξωτερική συσκευή. Μετά την ολοκλήρωση του προγράμματος συντήρησης, το πρόγραμμα που έχει διακοπεί συνεχίζεται. Ο ελεγκτής διακοπής είναι προγραμματιζόμενος.

Αρχιτεκτονική υπολογιστών και αρχές von Neumann

Ο όρος «αρχιτεκτονική» χρησιμοποιείται για να περιγράψει την αρχή λειτουργίας, διαμόρφωσης και διασύνδεσης των κύριων λογικών κόμβων ενός υπολογιστή. Αρχιτεκτονικήείναι μια ιεραρχία πολλαπλών επιπέδων υλικού και λογισμικού από την οποία κατασκευάζεται ένας υπολογιστής.

Τα θεμέλια του δόγματος της αρχιτεκτονικής υπολογιστών τέθηκαν από τον εξαιρετικό Αμερικανό μαθηματικό John von Neumann. Ο πρώτος υπολογιστής Eniakδημιουργήθηκε στις ΗΠΑ το 1946. Η ομάδα των δημιουργών περιελάμβανε φον Νόιμαν, που πρότεινε βασικές αρχές κατασκευής υπολογιστών: μετάβαση στο δυαδικό σύστημα αριθμών για την αναπαράσταση πληροφοριών και την αρχή ενός αποθηκευμένου προγράμματος.

Προτάθηκε η τοποθέτηση του προγράμματος υπολογισμού στη συσκευή αποθήκευσης του υπολογιστή, που θα εξασφάλιζε την αυτόματη εκτέλεση των εντολών και, κατά συνέπεια, θα αυξήσει την ταχύτητα του υπολογιστή. (Θυμηθείτε ότι προηγουμένως όλοι οι υπολογιστές αποθήκευαν τους επεξεργασμένους αριθμούς σε δεκαδική μορφή και τα προγράμματα καθορίζονταν εγκαθιστώντας jumpers σε ένα ειδικό patch panel.) Ο Neumann ήταν ο πρώτος που μάντευε ότι ένα πρόγραμμα μπορούσε επίσης να αποθηκευτεί ως σύνολο μηδενικών και μονάδων, και σε την ίδια μνήμη και τους αριθμούς που επεξεργάζεται.

Βασικές αρχές κατασκευής Η/Υ:

1. Κάθε υπολογιστής αποτελείται από τρία κύρια στοιχεία: επεξεργαστή, μνήμη και συσκευή. είσοδος-έξοδος (I/O).

2. Οι πληροφορίες με τις οποίες λειτουργεί ο υπολογιστής χωρίζονται σε δύο τύπους:

ένα σύνολο εντολών επεξεργασίας (προγράμματα). δεδομένα προς επεξεργασία.

3. Τόσο οι εντολές όσο και τα δεδομένα εισάγονται στη μνήμη (RAM) – αρχή του αποθηκευμένου προγράμματος .

4. Η επεξεργασία ελέγχεται από τον επεξεργαστή, του οποίου η μονάδα ελέγχου (CU) επιλέγει εντολές από τη μνήμη RAM και οργανώνει την εκτέλεσή τους και η αριθμητική-λογική μονάδα (ALU) εκτελεί αριθμητικές και λογικές πράξεις στα δεδομένα.

5. Οι συσκευές εισόδου/εξόδου (I/O) συνδέονται με τον επεξεργαστή και τη μνήμη RAM.

Ο Von Neumann όχι μόνο πρότεινε τις θεμελιώδεις αρχές της λογικής δομής των υπολογιστών, αλλά πρότεινε επίσης μια δομή που αναπαρήχθη κατά τις δύο πρώτες γενιές υπολογιστών.

Εξωτερική συσκευή αποθήκευσης (ESD)

Ρύζι. 1. Αρχιτεκτονική υπολογιστών Τέλος φόρμας,

Μνήμη τυχαίας πρόσβασης (RAM)

χτισμένο πάνω στις αρχές

φον Νόιμαν

- κατεύθυνση των ροών πληροφοριών. - κατεύθυνση των σημάτων ελέγχου από τον επεξεργαστή σε άλλους κόμβους υπολογιστή

Οι βασικές αρχές της αρχιτεκτονικής των υπολογιστικών συσκευών που αναπτύχθηκαν από τον von Neumann αποδείχτηκαν τόσο θεμελιώδεις που έλαβαν το όνομα "αρχιτεκτονική von Neumann" στη βιβλιογραφία. Η συντριπτική πλειοψηφία των VM σήμερα είναι μηχανές von Neumann.

Η εμφάνιση της τρίτης γενιάς υπολογιστών οφειλόταν στη μετάβαση από τα τρανζίστορ στα ολοκληρωμένα κυκλώματα, γεγονός που οδήγησε σε αύξηση της ταχύτητας του επεξεργαστή. Τώρα ο επεξεργαστής αναγκαζόταν να αδράνει, περιμένοντας πληροφορίες από πιο αργές συσκευές εισόδου/εξόδου, και αυτό μείωσε την απόδοση ολόκληρου του υπολογιστή στο σύνολό του. Για την επίλυση αυτού του προβλήματος, δημιουργήθηκαν ειδικά κυκλώματα για τον έλεγχο της λειτουργίας εξωτερικών συσκευών ή απλά ελεγκτές.

Η αρχιτεκτονική των σύγχρονων προσωπικών υπολογιστών βασίζεται σε ραχοκοκαλιά-αρθρωτή αρχή. Η επικοινωνία πληροφοριών μεταξύ συσκευών υπολογιστών πραγματοποιείται μέσω διαύλου συστήματος(άλλο όνομα είναι αυτοκινητόδρομος συστήματος).

Ένα λεωφορείο είναι ένα καλώδιο που αποτελείται από πολλούς αγωγούς. Μια ομάδα μαέστρων - δίαυλο δεδομένωνοι επεξεργασμένες πληροφορίες μεταδίδονται, από την άλλη - λεωφορείο διεύθυνσης- διευθύνσεις μνήμης ή εξωτερικών συσκευών στις οποίες έχει πρόσβαση ο επεξεργαστής. Το τρίτο μέρος της εθνικής οδού - λεωφορείο ελέγχου, μέσω αυτού μεταδίδονται σήματα ελέγχου (για παράδειγμα, ένα σήμα ότι η συσκευή είναι έτοιμη για λειτουργία, ένα σήμα για την έναρξη λειτουργίας της συσκευής κ.λπ.).

Πώς λειτουργεί ο δίαυλος συστήματος; Έχουμε ήδη πει ότι ένα και μηδενικό bit υπάρχουν μόνο στις κεφαλές των προγραμματιστών. Για έναν επεξεργαστή, μόνο οι τάσεις στις επαφές του είναι πραγματικές. Κάθε pin αντιστοιχεί σε ένα bit και ο επεξεργαστής χρειάζεται μόνο να διακρίνει μεταξύ δύο επιπέδων τάσης: ναι/όχι, υψηλή/χαμηλή. Επομένως, η διεύθυνση για έναν επεξεργαστή είναι μια ακολουθία τάσεων σε ειδικές επαφές που ονομάζονται δίαυλος διευθύνσεων. Μπορείτε να φανταστείτε ότι μετά τη ρύθμιση των τάσεων στις επαφές του διαύλου διευθύνσεων, εμφανίζονται τάσεις στις επαφές του διαύλου δεδομένων, κωδικοποιώντας τον αριθμό που είναι αποθηκευμένος στην καθορισμένη διεύθυνση. Αυτή η εικόνα είναι πολύ σκληρή γιατί χρειάζεται χρόνος για την ανάκτηση δεδομένων από τη μνήμη. Για αποφυγή σύγχυσης, η λειτουργία του επεξεργαστή ελέγχεται από μια ειδική γεννήτρια ρολογιού. Παράγει παλμούς που χωρίζουν την εργασία του επεξεργαστή σε ξεχωριστά βήματα. Η μονάδα χρόνου του επεξεργαστή είναι ένας κύκλος ρολογιού, δηλαδή το διάστημα μεταξύ δύο παλμών της γεννήτριας ρολογιού.

Οι τάσεις που εμφανίζονται στο δίαυλο διευθύνσεων του επεξεργαστή ονομάζονται φυσική διεύθυνση. Σε πραγματική λειτουργία, ο επεξεργαστής λειτουργεί μόνο με φυσικές διευθύνσεις. Αντίθετα, η προστατευμένη λειτουργία του επεξεργαστή είναι ενδιαφέρουσα γιατί το πρόγραμμα λειτουργεί με λογικές διευθύνσεις και ο επεξεργαστής τις μετατρέπει αόρατα σε φυσικές. Το σύστημα των Windows χρησιμοποιεί προστατευμένη λειτουργία για τον επεξεργαστή. Τα σύγχρονα λειτουργικά συστήματα και προγράμματα απαιτούν τόση πολλή μνήμη που η προστατευμένη λειτουργία του επεξεργαστή έχει γίνει πολύ πιο «πραγματική» από την πραγματική του λειτουργία.

Ο δίαυλος συστήματος χαρακτηρίζεται ρολόι συχνότητα και βάθος bit.Ο αριθμός των bit που μεταδίδονται ταυτόχρονα στο δίαυλο ονομάζεται πλάτος λεωφορείου. Συχνότητα ρολογιούχαρακτηρίζει τον αριθμό των στοιχειωδών λειτουργιών μεταφοράς δεδομένων ανά δευτερόλεπτο. Το πλάτος του διαύλου μετριέται σε bit, η συχνότητα ρολογιού μετριέται σε megahertz.

Οποιαδήποτε πληροφορία μεταδίδεται από τον επεξεργαστή σε άλλες συσκευές μέσω του διαύλου δεδομένων συνοδεύεται από διεύθυνσημεταδίδεται μέσω του διαύλου διευθύνσεων. Αυτή μπορεί να είναι η διεύθυνση μιας κυψέλης μνήμης ή η διεύθυνση μιας περιφερειακής συσκευής. Είναι απαραίτητο το πλάτος του διαύλου να επιτρέπει τη μετάδοση της διεύθυνσης της κυψέλης μνήμης. Έτσι, στα λόγια, το πλάτος του διαύλου περιορίζει την ποσότητα μνήμης RAM του υπολογιστή που δεν μπορεί να είναι μεγαλύτερη από , όπου n είναι το πλάτος διαύλου. Είναι σημαντικό η απόδοση όλων των συσκευών που είναι συνδεδεμένες στο δίαυλο να είναι συνεπής. Δεν είναι σοφό να έχετε γρήγορο επεξεργαστή και αργή μνήμη ή γρήγορο επεξεργαστή και μνήμη, αλλά αργό σκληρό δίσκο.

Ρύζι. 2. Διάγραμμα ενός υπολογιστή που βασίζεται στην αρχή του κορμού

Στους σύγχρονους υπολογιστές εφαρμόζεται αρχή της ανοιχτής αρχιτεκτονικής,επιτρέποντας στον χρήστη να συναρμολογήσει τη διαμόρφωση του υπολογιστή που χρειάζεται και, εάν χρειάζεται, να τον αναβαθμίσει.

ΔιαμόρφωσηΈνας υπολογιστής αναφέρεται στην πραγματική συλλογή στοιχείων υπολογιστή που συνθέτουν έναν υπολογιστή. Η αρχή της ανοιχτής αρχιτεκτονικής σάς επιτρέπει να αλλάξετε τη σύνθεση των συσκευών υπολογιστών. Πρόσθετες περιφερειακές συσκευές μπορούν να συνδεθούν στον αυτοκινητόδρομο πληροφοριών και ορισμένα μοντέλα συσκευών μπορούν να αντικατασταθούν από άλλα.

Η σύνδεση υλικού μιας περιφερειακής συσκευής με τη ραχοκοκαλιά σε φυσικό επίπεδο πραγματοποιείται μέσω ενός ειδικού μπλοκ - ελεγκτής(άλλα ονόματα - προσαρμογέας, πίνακας, κάρτα). Υπάρχουν ειδικοί σύνδεσμοι για την εγκατάσταση ελεγκτών στη μητρική πλακέτα - κουλοχέρηδες.

Ο έλεγχος λογισμικού της λειτουργίας μιας περιφερειακής συσκευής πραγματοποιείται μέσω του προγράμματος - οδηγός, το οποίο αποτελεί στοιχείο του λειτουργικού συστήματος. Δεδομένου ότι υπάρχει ένας τεράστιος αριθμός διαφορετικών συσκευών που μπορούν να εγκατασταθούν σε έναν υπολογιστή, κάθε συσκευή συνήθως συνοδεύεται από ένα πρόγραμμα οδήγησης που αλληλεπιδρά απευθείας με αυτήν τη συσκευή.

Ο υπολογιστής επικοινωνεί με εξωτερικές συσκευές μέσω λιμάνια– ειδικοί σύνδεσμοι στο πίσω μέρος του υπολογιστή. Διακρίνω ακολουθητικόςΚαι παράλληλολιμάνια. Οι σειριακές (θύρες COM) χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση χειριστών, ενός μόντεμ και τη μετάδοση μικρών ποσοτήτων πληροφοριών σε μεγάλες αποστάσεις. Οι παράλληλες (LPT - θύρες) χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση εκτυπωτών, σαρωτών και τη μετάδοση μεγάλων ποσοτήτων πληροφοριών σε μικρές αποστάσεις. Πρόσφατα, οι καθολικές σειριακές θύρες (USB) έχουν γίνει ευρέως διαδεδομένες, στις οποίες μπορείτε να συνδέσετε διάφορες συσκευές.

Σε καθημερινό επίπεδο, οι περισσότεροι άνθρωποι συνδέουν έντονα τον όρο «αρχιτεκτονική» με διάφορα κτίρια και άλλες κατασκευές μηχανικής. Έτσι, μπορούμε να μιλήσουμε για την αρχιτεκτονική ενός γοτθικού καθεδρικού ναού, του Πύργου του Άιφελ ή μιας όπερας. Σε άλλους τομείς, αυτός ο όρος χρησιμοποιείται αρκετά σπάνια, αλλά για τους υπολογιστές η έννοια της «αρχιτεκτονικής υπολογιστών» (ηλεκτρονικός υπολογιστής) έχει ήδη καθιερωθεί και χρησιμοποιείται ευρέως από τη δεκαετία του '70 του περασμένου αιώνα. Για να κατανοήσετε πώς εκτελούνται προγράμματα και σενάρια σε έναν υπολογιστή, πρέπει πρώτα να γνωρίζετε πώς λειτουργεί κάθε ένα από τα στοιχεία του. Τα θεμέλια του δόγματος της αρχιτεκτονικής υπολογιστών, τα οποία συζητούνται στο μάθημα, τέθηκαν από τον John von Neumann. Μπορείτε να μάθετε περισσότερα για τους λογικούς κόμβους, καθώς και για τη βασική αρθρωτή αρχή της αρχιτεκτονικής των σύγχρονων προσωπικών υπολογιστών σε αυτό το μάθημα.

Οι αρχές που διέπουν την αρχιτεκτονική των υπολογιστών διατυπώθηκαν το 1945 από τον John von Neumann, ο οποίος ανέπτυξε τις ιδέες του Charles Babbage, ο οποίος αντιπροσώπευε τη λειτουργία ενός υπολογιστή ως τη λειτουργία ενός συνόλου συσκευών: επεξεργασία, έλεγχος, μνήμη, είσοδος-εξαγωγή.

Αρχές του Von Neumann.

1. Η αρχή της ομοιογένειας της μνήμης. Μπορείτε να εκτελέσετε τις ίδιες ενέργειες στις εντολές όπως και στα δεδομένα.

2. Η αρχή της διεύθυνσης μνήμης. Η κύρια μνήμη αποτελείται δομικά από αριθμημένα κελιά. Οποιοδήποτε κελί είναι διαθέσιμο στον επεξεργαστή ανά πάσα στιγμή. Αυτό συνεπάγεται τη δυνατότητα ονομασίας περιοχών μνήμης, έτσι ώστε οι τιμές που είναι αποθηκευμένες σε αυτές να μπορούν αργότερα να προσπελαστούν ή να αλλάξουν κατά την εκτέλεση του προγράμματος χρησιμοποιώντας τα εκχωρημένα ονόματα.

3. Η αρχή του διαδοχικού ελέγχου προγράμματος. Υποθέτει ότι ένα πρόγραμμα αποτελείται από ένα σύνολο εντολών που εκτελούνται από τον επεξεργαστή αυτόματα η μία μετά την άλλη με μια συγκεκριμένη σειρά.

4. Η αρχή της αρχιτεκτονικής ακαμψίας. Αμετάβλητο της τοπολογίας, της αρχιτεκτονικής και της λίστας εντολών κατά τη λειτουργία.

Οι υπολογιστές που κατασκευάζονται με βάση τις αρχές του von Neumann έχουν κλασική αρχιτεκτονική, αλλά εκτός από αυτήν, υπάρχουν και άλλοι τύποι αρχιτεκτονικής. Για παράδειγμα, το Χάρβαρντ. Τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του είναι:

• Η αποθήκευση εντολών και η αποθήκευση δεδομένων είναι διαφορετικές φυσικές συσκευές.
• Το κανάλι εντολών και το κανάλι δεδομένων διαχωρίζονται επίσης φυσικά.

Στην ιστορία της ανάπτυξης της υπολογιστικής τεχνολογίας, ένα ποιοτικό άλμα συνέβαινε περίπου κάθε 10 χρόνια. Αυτό το άλμα συνδέεται με την εμφάνιση μιας νέας γενιάς υπολογιστών. Η ιδέα των διαχωριστικών μηχανών εμφανίστηκε λόγω του γεγονότος ότι κατά τη σύντομη ιστορία της ανάπτυξής της, η τεχνολογία των υπολογιστών έχει υποστεί μεγάλη εξέλιξη τόσο ως προς τη στοιχειακή βάση (λάμπες, τρανζίστορ, μικροκυκλώματα κ.λπ.), όσο και υπό την έννοια των αλλαγών στη δομή του, της εμφάνισης νέων ευκαιριών και της επέκτασης των περιοχών εφαρμογής και φύσης χρήσης. Περισσότερες λεπτομέρειες στάδια ανάπτυξης υπολογιστών φαίνεται στο Σχ. 2. Για να κατανοήσουμε πώς και γιατί μια γενιά αντικαταστάθηκε από μια άλλη, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε την έννοια εννοιών όπως η μνήμη, η ταχύτητα, ο βαθμός ολοκλήρωσης κ.λπ.

Ρύζι. 2. Γενιές υπολογιστών ()

Μεταξύ των υπολογιστών που δεν είναι κλασική, όχι αρχιτεκτονική von Neumann, μπορούμε να διακρίνουμε τους λεγόμενους νευροϋπολογιστές. Προσομοιώνουν το έργο των ανθρώπινων εγκεφαλικών κυττάρων, των νευρώνων, καθώς και ορισμένων τμημάτων του νευρικού συστήματος που είναι ικανά να ανταλλάσσουν σήματα.

Κάθε λογικός κόμβος του υπολογιστή εκτελεί τις δικές του λειτουργίες. Λειτουργίες επεξεργαστή(Εικ. 3):

- επεξεργασία δεδομένων (εκτέλεση αριθμητικών και λογικών πράξεων σε αυτά).

- έλεγχος όλων των άλλων συσκευών υπολογιστή.

Ρύζι. 3. Κεντρική μονάδα επεξεργασίας υπολογιστών ()

Το πρόγραμμα αποτελείται από ξεχωριστές εντολές. Η εντολή περιλαμβάνει τον κωδικό λειτουργίας, τις διευθύνσεις των τελεστών (τις ποσότητες που συμμετέχουν στην πράξη) και τη διεύθυνση του αποτελέσματος.

Η εκτέλεση της εντολής χωρίζεται στα ακόλουθα στάδια:

· επιλογή ομάδας?

• δημιουργία της διεύθυνσης της επόμενης εντολής.
• αποκωδικοποίηση εντολών?
• Υπολογισμός διευθύνσεων τελεστών.
• επιλογή τελεστών·
• εκτέλεση της λειτουργίας·
• σχηματισμός ενός σημείου αποτελέσματος.
• καταγράφοντας το αποτέλεσμα.

Δεν υπάρχουν όλα τα στάδια κατά την εκτέλεση οποιασδήποτε εντολής (ανάλογα με τον τύπο της εντολής), αλλά τα στάδια της ανάκτησης, της αποκωδικοποίησης, της δημιουργίας της διεύθυνσης της επόμενης εντολής και της εκτέλεσης της πράξης πραγματοποιούνται πάντα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, είναι δυνατά δύο ακόμη βήματα:

• Έμμεση διευθυνσιοδότηση·
• απάντηση στη διακοπή.

ΕΜΒΟΛΟ(Εικ. 4) διατάσσεται ως εξής:

• λήψη πληροφοριών από άλλες συσκευές·
• απομνημόνευση πληροφοριών·
• μεταφορά πληροφοριών κατόπιν αιτήματος σε άλλες συσκευές υπολογιστή.

Ρύζι. 4. RAM (Μνήμη τυχαίας πρόσβασης) του υπολογιστή ()

Η αρχιτεκτονική των σύγχρονων υπολογιστών βασίζεται σε ραχοκοκαλιά-αρθρωτή αρχή(Εικ. 5). Η αρθρωτή αρχή σάς επιτρέπει να ολοκληρώσετε την επιθυμητή διαμόρφωση και να κάνετε τις απαραίτητες αναβαθμίσεις. Βασίζεται στην αρχή του διαύλου της ανταλλαγής πληροφοριών μεταξύ των ενοτήτων. Ο δίαυλος συστήματος ή ο δίαυλος υπολογιστή περιλαμβάνει πολλούς διαύλους για διάφορους σκοπούς. Η ραχοκοκαλιά περιλαμβάνει τρεις διαύλους πολλαπλών bit:

• Δίαυλος δεδομένων?
• λεωφορείο διεύθυνσης?
• λεωφορείο ελέγχου.

Ρύζι. 5. Βασική-αρθρωτή αρχή κατασκευής Η/Υ

Ο δίαυλος δεδομένων χρησιμοποιείται για τη μεταφορά διαφόρων δεδομένων μεταξύ συσκευών υπολογιστών. ο δίαυλος διευθύνσεων χρησιμοποιείται για τη διεύθυνση των μεταφερόμενων δεδομένων, δηλαδή για τον προσδιορισμό της θέσης τους στη μνήμη ή στις συσκευές εισόδου/εξόδου. Ο δίαυλος ελέγχου περιλαμβάνει σήματα ελέγχου που χρησιμεύουν για τον προσωρινό συντονισμό της λειτουργίας διαφόρων συσκευών υπολογιστή, για τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης μεταφοράς δεδομένων, για τον προσδιορισμό των μορφών των μεταφερόμενων δεδομένων κ.λπ.

Αυτή η αρχή ισχύει για διάφορους υπολογιστές, οι οποίοι μπορούν να χωριστούν σε τρεις ομάδες:

• ακίνητος;
• compact (φορητοί υπολογιστές, netbook κ.λπ.)
• τσέπη (smartphone κ.λπ.).

Η μονάδα συστήματος ενός επιτραπέζιου υπολογιστή ή μιας συμπαγούς θήκης περιέχει τις κύριες λογικές μονάδες - μια μητρική πλακέτα με επεξεργαστή, τροφοδοτικό, εξωτερικές μονάδες μνήμης κ.λπ.

Βιβλιογραφία

1. Bosova L.L. Πληροφορική και ΤΠΕ: Εγχειρίδιο για την 8η τάξη. - Μ.: ΜΠΙΝΟΜ. Εργαστήριο Γνώσης, 2012.

2. Bosova L.L. Πληροφορική: Τετράδιο Εργασιών για την 8η τάξη. - Μ.: ΜΠΙΝΟΜ. Εργαστήριο Γνώσης, 2010.

3. Astafieva N.E., Rakitina E.A., Computer Science in schemes. - Μ.: ΜΠΙΝΟΜ. Εργαστήριο Γνώσης, 2010.

4. Tannenbaum E. Αρχιτεκτονική υπολογιστών. - 5η έκδ. - Αγία Πετρούπολη: Peter, 2007. - 844 p.

1. Διαδικτυακή πύλη «Όλες οι συμβουλές» ()

2. Διαδικτυακή πύλη «Ηλεκτρονική εγκυκλοπαίδεια «Υπολογιστής»» ()

3. Διαδικτυακή πύλη "apparatnoe.narod.ru" ()

Εργασία για το σπίτι

1. Κεφάλαιο 2, §2.1, 2.2. Bosova L.L. Πληροφορική και ΤΠΕ: Εγχειρίδιο για την 8η τάξη. - Μ.: ΜΠΙΝΟΜ. Εργαστήριο Γνώσης, 2012.

2. Τι σημαίνει η συντομογραφία ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗΣ;

3. Τι σημαίνει ο όρος «Αρχιτεκτονική Υπολογιστών»;

4. Ποιος διατύπωσε τις βασικές αρχές που διέπουν την αρχιτεκτονική των υπολογιστών;

5. Σε τι βασίζεται η αρχιτεκτονική των σύγχρονων υπολογιστών;

6. Ονομάστε τις κύριες λειτουργίες του κεντρικού επεξεργαστή και της μνήμης RAM ενός Η/Υ.

Σε κάθε τομέα της επιστήμης και της τεχνολογίας υπάρχουν κάποιες θεμελιώδεις ιδέες ή αρχές που καθορίζουν το περιεχόμενο και την ανάπτυξή του. Στην επιστήμη των υπολογιστών, ο ρόλος τέτοιων θεμελιωδών ιδεών διαδραματίστηκε από αρχές που διατυπώθηκαν ανεξάρτητα η μία από την άλλη - από τον Αμερικανό μαθηματικό και φυσικό John von Neumann (1903-1957) και τον Σοβιετικό επιστήμονα Sergei Lebedev (1902-1974). Αυτές οι αρχές ορίζουν τη βασική οργάνωση ενός υπολογιστή.

Πιστεύεται ότι ο πρώτος ηλεκτρονικός υπολογιστής, ο ENIAC, κατασκευάστηκε στις ΗΠΑ το 1946. Το ENIAC αποτελούνταν από 18.000 σωλήνες κενού και 1.500 ρελέ και ζύγιζε 30 τόνους. Είχε 20 καταχωρητές, καθένας από τους οποίους μπορούσε να περιέχει έναν δεκαδικό αριθμό 10-bit Μια λαμπρή ανάλυση των δυνατών και αδύνατων σημείων του σχεδίου ENIAC δόθηκε στην έκθεση του Ινστιτούτου Προηγμένων Μελετών του Πρίνστον «Προκαταρκτική Συζήτηση για τον Λογικό Σχεδιασμό ενός Ηλεκτρονικού Υπολογισμού. Συσκευή» (Ιούνιος 1946). Αυτή η έκθεση, που συντάχθηκε από τον εξαιρετικό Αμερικανό μαθηματικό John von Neumann και τους συναδέλφους του στο Ινστιτούτο Princeton G. Goldstein και A. Burks, παρουσίασε ένα έργο για έναν νέο ηλεκτρονικό υπολογιστή. Οι ιδέες που εκφράζονται σε αυτή την έκθεση είναι γνωστές ως Αρχές Neumann.

Μιλώντας για τους ιδρυτές της θεωρητικής επιστήμης των υπολογιστών, δεν μπορούμε να μην αναφέρουμε δύο επιστημονικά επιτεύγματα: την άλγεβρα της λογικής και τη θεωρία των αλγορίθμων. Η λογική άλγεβρα αναπτύχθηκε στα μέσα του 19ου αιώνα από τον Άγγλο μαθηματικό Τζορτζ Μπουλ και θεωρήθηκε από αυτόν ως μέθοδος μαθηματοποίησης της τυπικής λογικής. Η ανάπτυξη ηλεκτρονικών υπολογιστών βασισμένων σε ηλεκτρονικά στοιχεία on-off κατέστησε δυνατή την ευρεία χρήση της «λογικής Boole» για το σχεδιασμό κυκλωμάτων υπολογιστών. Στο πρώτο μισό της δεκαετίας του 30 του 20ου αιώνα, εμφανίστηκαν μαθηματικά έργα στα οποία αποδείχθηκε η θεμελιώδης δυνατότητα επίλυσης οποιουδήποτε προβλήματος που μπορεί να επεξεργαστεί αλγοριθμικά χρησιμοποιώντας αυτόματα. Αυτή η απόδειξη περιείχε τα έργα του Άγγλου μαθηματικού E. Post που δημοσιεύτηκαν το 1936. (Τζορτζ Μπουλ (1815-1864), Άλαν Τούρινγκ (1912-1954)).

Στη Σοβιετική Ένωση, οι εργασίες για τη δημιουργία ηλεκτρονικών υπολογιστών ξεκίνησαν λίγο αργότερα. Ο πρώτος σοβιετικός ηλεκτρονικός υπολογιστής κατασκευάστηκε στο Κίεβο το 1953. Ονομάστηκε MESM (μικρός ηλεκτρονικός υπολογιστής) και ο επικεφαλής σχεδιαστής του ήταν ο ακαδημαϊκός Σεργκέι Λεμπέντεφ, ο συγγραφέας σχεδίων για υπολογιστές της σειράς BESM (μεγάλος ηλεκτρονικός υπολογιστής). Στο έργο MESM, ο Sergei Lebedev, ανεξάρτητα από τον Neumann, κατέληξε στις ίδιες ιδέες για το σχεδιασμό ηλεκτρονικών υπολογιστών με τον Neumann.

Η ουσία των «Αρχών Neumann» ήταν η εξής:

1. Ο υπολογιστής περιλαμβάνει έναν διασυνδεδεμένο επεξεργαστή (αριθμητική μονάδα και συσκευή ελέγχου), Μνήμη και Συσκευή I/O.

2. Οι υπολογιστές που βασίζονται σε ηλεκτρονικά στοιχεία πρέπει να λειτουργούν στο δυαδικό σύστημα αριθμών και όχι στο δεκαδικό.

3. Το πρόγραμμα, καθώς και οι αριθμοί με τους οποίους λειτουργεί ο υπολογιστής, γράφονται σε δυαδικό κώδικα, δηλαδή σε μορφή αναπαράστασης της εντολής και οι αριθμοί είναι ίδιου τύπου.

4. Το πρόγραμμα πρέπει να βρίσκεται σε ένα από τα μπλοκ υπολογιστή - σε μια συσκευή αποθήκευσης που έχει τυχαία πρόσβαση. Το πρόγραμμα και τα δεδομένα μπορούν να βρίσκονται σε κοινόχρηστη μνήμη (αρχιτεκτονική Princeton).

5. Οι δυσκολίες της φυσικής υλοποίησης μιας υψηλής ταχύτητας, μη πτητικής και μεγάλης συσκευής αποθήκευσης μνήμης απαιτούν μια ιεραρχική οργάνωση της μνήμης. Το πρόγραμμα εκτελείται από την κύρια μνήμη και αποθηκεύεται σε μη πτητική δευτερεύουσα μνήμη (μαγνητικούς δίσκους). Ένα αρχείο είναι ένα σύνολο αναγνώρισης παρουσιών ενός τύπου δεδομένων που περιγράφεται πλήρως σε ένα συγκεκριμένο πρόγραμμα, βρίσκεται εκτός του προγράμματος σε εξωτερική μνήμη και είναι προσβάσιμο στο πρόγραμμα μέσω ειδικών λειτουργιών.

6. Η αριθμητική-λογική μονάδα (ALU) ενός υπολογιστή κατασκευάζεται με βάση κυκλώματα που εκτελούν πρόσθεση, μετατόπιση και λογικές πράξεις. Εκτός από το αποτέλεσμα της λειτουργίας, η ALU δημιουργεί μια σειρά από χαρακτηριστικά αποτελέσματος (σημαίες) που μπορούν να αναλυθούν κατά την εκτέλεση μιας εντολής μεταφοράς ελέγχου υπό όρους.