Урок по информатике Архитектура компьютера

Архитектура персонального компьютера

Тип урока: урок-лекция

Цели урока:

Образовательная: познакомить с классической схемой построения персонального компьютера, изучить магистрально-модульный принцип построения ПК, ознакомить с принципом открытой архитектуры.

Развивающая: развивать логическое мышление, внимание, память, расширить кругозор.

Воспитательная: воспитывать познавательный интерес к предмету информатика.

План урока:

1. Организационный момент;

2. Актуализация знаний студентов;

3. Изучение нового материала:

   1. Понятия компьютер, архитектура компьютера

   2. Принципы устройства ПК по Дж. Фон Нейману

   3. Открытая архитектура ПК

   4. Магистрально-модульный принцип построения компьютера

   5. Шины, контроллер, видеокарта

4. Итоги урока, д/з.

Ход урока

1. Организационный момент

2. Актуализация знаний студентов

Фронтальный опрос студентов:

1. Что называют информационным процессом?

2. Перечислите основные информационные процессы

3. Приведите примеры устройств хранения и передачи информации

4. Назовите этапы развития вычислительной техники, их характерные черты.

3. Изучение нового материала

Компьютер - это программируемое электронное устройство для реализации информационных процессов (хранения, обработки и передачи информации).

По своему назначению компьютер - универсальное техническое устройство для работы с информацией. По принципам устройства компьютер - модель человека, работающего с информацией.

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Архитектура компьютера включает в себя структуру, отражающую состав ПК, и программно-математическое обеспечение.

Структура ЭВМ - совокупность элементов и связей между ними.

Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление.

В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В последствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и сегодня. По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципиально новое.

Принципы фон Неймана

1. Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах. Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.

2. Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.

3. Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.

4. Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.

Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.

Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было хранимой в памяти программы) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) мог потребоваться далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться годы, однако они работают на миллионах компьютеров после несколько минутной установки на жесткий диск.

Архитектура компьютеров первых поколений:

В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством - счетчиком команд в устройстве управления (УУ).

История персональных компьютеров

С 1975 г. в США было начато серийное производство персональных компьютеров (ПК). Это событие часто называют второй информационной революцией (первой информационной революцией считается появление печатного станка и книгопечатания - 1445 г.). ПК появился на базе мини- и микро ЭВМ для обеспечения персональных вычислений, т.е. для работы специалиста в той или иной предметной области на своем рабочем месте. За дисплей ПК смог сесть пользователь - непрофессионал в программировании. С 1981 г. стали выпускаться персональные ЭВМ, имеющие блочно-модульную конструкцию. Эти простые в эксплуатации и сравнительно дешевые машины предназначались для потребителей, не обладающих знаниями в области вычислительной техники и программирования. Широкое распространение мини-ЭВМ в начале 1970-х гг. определялось необходимостью приблизить компьютер к пользователю. Мини-ЭВМ устанавливались на предприятиях и в организациях, где использование больших ЭВМ было экономически невыгодным.

Основные критерии отнесения компьютера к классу ПК - малые размеры, отсутствие необходимости в обслуживании, низкая цена, функциональная универсальность и простота модернизации.

Важную роль в развитии ПК сыграло появление компьютера IBM PC, произведенного корпорацией IBM (США) на базе микропроцессора Intel-8086 в 1981 г. Этот персональный компьютер занял ведущее место на рынке себе подобных. Его основное преимущество - так называемая открытая архитектура, благодаря которой пользователи могут расширять возможности приобретенной ЭВМ, добавляя различные периферийные устройства и модернизируя компьютер. В дальнейшем другие фирмы начали создавать свои ПК, но компьютер IBM PC стал неким стандартом в классе персональных компьютеров. В наши дни более 85% всех продаваемых ПЭВМ базируется на архитектуре IBM PC.

Разрабатывая персональный компьютер, сотрудники IBM создали, так называемую, "открытую архитектуру", которая оказалось настолько эффективной, что лежит в основе современных ПК и по сей день.

Основополагающие принципы открытой архитектуры следующие:

1. конструкция предусматривает возможность расширения системы;

2. использование технических решений и технологий не требует лицензионных затрат;

3. в процессе эксплуатации возможно изменение базового состава системы самим пользователем.

Архитектура современных персональных компьютеров (открытая архитектура) основана на магистрально-модульном принципе.

Магистрально-модульный принцип (принцип открытой архитектуры) построения современных компьютеров заключается в том, что

1. все устройства взаимодействуют между собой единым способом через посредство специальной информационной магистрали (шины).

2. каждое устройство конструктивно оформляется в виде отдельного блока (модуля), который легко подключается к общей схеме через один или несколько разъемов.

Модульный принцип позволяет комплектовать нужную конфигурацию компьютера и производить при необходимости модернизацию компьютера.

Для этой схемы характерны следующие принципиальные отличия от архитектуры компьютеров первых поколений:

- наличие центрального процессора;

- неопределенное количество устройств ввод-вывода;

- появление новых элементов архитектуры: шина, контроллер, видеопамять.

Шина - устройство, которое осуществляет взаимосвязь и обмен информацией между всеми устройствами компьютера; состоит из трех частей:

• шина данных, по которой передается информация;

• шина адреса, определяющая, куда передаются данные;

• шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора.

Разрядность шины адреса (величина адресного пространства) определяет максимальный объем адресуемой памяти, т.е. количество ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:

N=2^I, где I - разрядность шины адреса.

Отметим, что существуют модели компьютеров, у которых шины данных и адреса для экономии объединены. У таких машин сначала на шину выставляется адрес, а затем через некоторое время данные; для какой именно цели используется шина в данный момент, определяется сигналами на шине управления.

Контроллер - это электронное устройство, предназначенное для подключения к магистрали компьютера разных по принципу действия, интерфейсу и конструктивному исполнению периферийных устройств.

К термину "контроллер" очень близок по смыслу другой термин - "адаптер". Назначение обоих одинаково, но контроллер несколько сложнее: подразумевается его некоторая активность - способность к самостоятельным действиям после получения команд от обслуживающей его программы. Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой внешнего устройства. Такой процессор имеет собственную систему команд. Еще одним похожим устройством является сопроцессор. Сопроцессоры "помогают" основному (центральному) процессору, который исполняет программу, реализовывать сложные специфические функции. Примером может служить графический сопроцессор, выполняющий геометрические построения и обработку графических изображений, - его вполне можно считать графическим контроллером. Несколько особняком стоит математический сопроцессор, который выполняет свои функции "в одиночку", не управляя никакими внешними устройствами. Все перечисленные выше устройства служат для уменьшения нагрузки на центральный процессор и повышают общую производительность системы. Значение контроллеров состоит в том, что они освобождают процессор от наиболее медленных функций ввода/вывода информации. Идеи применения специализированных интеллектуальных схем для разгрузки центрального процессора были наложены еще в третьем поколении ЭВМ в больших машинах коллективного пользования IBM-36O (в СССР данное семейство машин известно в качестве "аналога" под именем ЕС ЭВМ). В четвертом поколении возникла технологическая возможность собирать схемы управления в едином кристалле, и появились микроконтроллеры.

В состав контроллера, как правило, входят: собственный микропроцессор, ОЗУ, ПЗУ, регистры внешних устройств (через них контроллер взаимодействует с центральным процессором), буферные (согласующие) схемы. В определенном смысле сложный контроллер является упрощенной специализированной ЭВМ.

Центральный процессор при необходимости произвести обмен выдает задание на его осуществление контроллеру. Дальнейший обмен информацией может протекать под руководством контроллера без участия центрального процессора. ЦП получает возможность «заниматься своим делом», т.е. выполнять программу дальше (если по данной задаче до завершения обмена ничего сделать нельзя, то можно в это время решать другую).

Видеопамять - это внутренняя оперативная память, отведённая для хранения данных, которые используются для формирования изображения на экране монитора.

Видеопамять играет роль некого кадрового буфера, в который направляются видеоданные, для дальнейшего считывания и обработки их графическим процессором.

Таким образом, принцип открытой архитектуры заключается в следующем: регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определённая совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-производителями. Компьютер легко расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних расширительных гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, и, тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями.

4. Итоги урока, д/з.

Вопросы для контроля усвоенного материала:

1. Что включает в себя понятие архитектуры компьютера?

2. Обозначьте принципы работы компьютера, сформулированные Джоном фон Нейманом.

3. Что включает в себя архитектура компьютеров первых поколений?

4. Каковы основные принципы магистрально-модульного устройства компьютера?

5. Какие новые элементы архитектуры характерны для современного ПК?

Д/З: § 17