Курс лекции по Вычислительной технике

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Техническое и профессиональное образование

КУРС ЛЕК

ОНСТРУКТ

КУРС ЛЕКЦИИ

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

Специальность 1306000 - «Радиоэлектроника и связь (по видам)»

Квалификация специалиста 1306113 - «Техник-электроник»

Талдыкорган

Разработчик: Кулсеитова Ш.С., преподаватель Талдыкорганского

политехнического колледжа

Рецензенты: Мукажанов Е.Б. доцент физико-математических

наук, заместитель директора по учебной работе,

информационной и дистанционной технологии

Талдыкорганского политехнического колледжа

Курс лекции по дисциплине «Вычислительная техника» составлена согласно требованиям типового учебного плана, образовательной программой технического и профессионального образования (№150 от 24.04.2013г.) по специальности 1306000 - «Радиоэлектроника и связь (по видам)» с квалификацией специалиста 1306113 Техник-электроник.

Курс лекции по дисциплине «Вычислительная техника» рассмотрена на кафедре информатики и информационных технологий

Протокол №_____ от «______» 20______ года

Заведующий кафедрой _________ Скоромный И.В.

Курс лекции по дисциплине «Вычислительная техника» одобрена и утверждена научно-методическим бюро Талдыкорганского политехнического колледжа

Протокол № __ от ______«___»____ 20__г.

Директор колледжа, к.п.н. _____________Такенова Г.Д.

Данный курс лекции «Вычислительная техника» раскрывает разделы: Арифметические и логические основы электронно-вычислительной техники», «Типовые логические элементы и узлы ЭВМ». В которых рассматриваются обозначение конструкторской документации, условные графические обозначения элементов цифровой техники в схемах, требования к выполнению схем и иллюстративных документов. Изучение процесса проектирования конструкторской документации включает ряд последовательных этапов, одним из важнейших среди которых является разработка конструкции.

Курс лекций предназначен для студентов и преподавателей специальности: специальности 1306000 - «Радиоэлектроника и связь (по видам)» с квалификацией специалиста 1306113 Техник-электроник.

Ответственный за выпуск: Талдыкорганский политехнический колледж

Раздел 1. Архитектура и структура ЭВМ

Лекция №1

История развития вычислительной техники.

1.Вычислительная техника.

2. Классификация ПК.

3. Основные принципы функционирования ПК.

Вычислительная техника (ВТ) − это совокупность устройств, предназначенных для автоматизированной обработки данных.

Вычислительная система (ВС) - это конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенный для обслуживания одного рабочего участка.

Центральным устройством большинства ВС является компьютер (ЭВМ).

Компьютер (англ. computer - «вычислитель»), ЭВМ (электронная вычислительная машина) - комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

Первое поколение. 1950-1960-е годы

Компьютеры на электронных вакуумных лампах (диодах и триодах), а в качестве оперативных запоминающих устройств использовались электронно-лучевые трубки, в качестве внешних запоминающих устройств применялись накопители на магнитных лентах, перфокартах, перфолентах и штекерные коммутаторы.

Программирование работы ЭВМ этого поколения выполнялось в двоичной системе счисления на машинном языке, то есть программы были жестко ориентированы на конкретную модель машины.

Второе поколение ЭВМ. 1960-1970-е годы

Элементной базой машин этого поколения были полупроводниковые элементы (транзисторы). Транзисторы (твердые диоды и триоды) заменили электронные лампы в процессорах, а ферритовые (намагничиваемые) сердечники - электронно-лучевые трубки в оперативных запоминающих устройствах. Машины предназначались для решения различных трудоемких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве.

Третье поколение ЭВМ: 1970-1980-е годы

Элементная база ЭВМ - малые интегральные схемы (МИС), что привело к дальнейшему увеличению скорости до миллиона операций в секунду и памяти до сотен тысяч слов. Машины предназначались для широкого использования в различных областях науки и техники.

ЭВМ третьего поколения также характеризуется крупнейшими сдвигами в архитектуре ЭВМ, их программном обеспечении, организации взаимодействия человека с машиной. Это, прежде всего наличие развитой конфигурации внешних устройств (алфавитно-цифровые терминалы, графопостроители, магнитные диски (30 см в диаметре) и т.п.), развитая операционная система.

IV поколение. 1980-1990-е годы

Переход к машинам четвертого поколения - ЭВМ на больших интегральных схемах (БИС) - происходил во второй половине 70-х годов и завершился приблизительно к 1980 г. Теперь на одном кристалле размером 1 см² стали размещаться сотни тысяч электронных элементов. Скорость и объем памяти возросли в десятки тысяч раз по сравнению с машинами первого поколения и составили примерно 10⁹ операций в секунду и 10⁷ слов соответственно.

Наиболее крупным достижением, связанным с применением БИС, стало создание микропроцессоров, а затем на их основе микро-ЭВМ. Если прежние поколения ЭВМ требовали для своего расположения специальных помещений, системы вентиляции, специального оборудования для электропитания, то требования, предъявляемые к эксплуатации микро-ЭВМ, ничем не отличаются от условий эксплуатации бытовых приборов. При этом они имеют достаточно высокую производительность, экономичны в эксплуатации и дешевы.

V поколение. 1990-настоящее время

С 90-х годов в истории развития вычислительной техники наступила пора пятого поколения. Высокая скорость выполнения арифметических вычислений дополняется высокими скоростями логического вывода.

Сверхбольшие интегральные схемы повышенной степени интеграции, использование оптоэлектронных принципов (лазеры, голография).

Способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой. Используются модели и средства, разработанные в области искусственного интеллекта. Архитектура содержит несколько блоков: блок общения - обеспечивает интерфейс между пользователем и ЭВМ на естественном языке; база знаний - хранятся знания, накопленные человечеством в различных предметных областях; решатель - организует подготовку программы решения задачи на основании знаний, получаемых из базы знаний и исходных данных, полученных из блока общения. Ядро вычислительной системы составляет ЭВМ высокой производительности.

Классификация ПК по типоразмерам:

1. Настольные (desktop) - используются для оборудования рабочих мест, отличаются простотой изменения конфигурации. Наиболее распространены.

2. Портативные - удобны для транспортировки, можно работать при отсутствии рабочего места.

Основные разновидности портативных компьютеров:

Laptop (наколенник, от lap> - колено и top - поверх). По размерам близок к обычному портфелю. По основным характеристикам (быстродействие, память) примерно соответствует настольным ПК. Сейчас компьютеры этого типа уступают место ещё меньшим.

Notebook (блокнот, записная книжка). По размерам он ближе к книге крупного формата. Имеет вес около 3 кг. Является переносным персональным компьютером. Он имеет компактные габариты и встроенные аккумуляторы, позволяющие работать без сетевого напряжения.

Palmtop (наладонник) - это самый маленький ПК. Он не имеет внешней памяти на магнитных дисках, она заменена на энергозависимую электронную память. Эта память может перезаписываться при помощи линии связи с настольным компьютером. Карманный компьютер можно использовать как словарь-переводчик или записную книжку

III. Классификация по условиям эксплуатации:

По условиям эксплуатации компьютеры делятся на два типа:

1. офисные (универсальные) - на их основе можно собирать вычислительные системы произвольного состава;

2. специализированные - предназначены для решения конкретного круга задач (например, бортовые компьютеры автомобилей, самолетов).

Основные принципы функционирования ПК

Исторически компьютер появился как машина для вычислений и назывался электронной вычислительной машиной - ЭВМ. Общие принципы работы универсальных вычислительных устройств были сформулированы известным американским математиком Джоном фон Нейманом в 1946 году:

1. Любая ЭВМ для выполнения своих функций должна иметь минимальный набор функциональных блоков:

   • АЛУ - арифметическое логическое устройство. Преобразует информацию, выполняя сложение, вычитание и основные логические операции «И», «ИЛИ», «НЕ».

   • УУ - устройство управления. Организует процесс выполнения программ.

   • ОЗУ - оперативное запоминающее устройство (память), состоящее из перенумерованных ячеек. Хранит данные, адреса и команды, обладает высокой скоростью записи и чтения чисел.

   • УВВ - устройство ввода-вывода. Получают информацию извне, выводят её получателю.

В современных компьютерах объединены АЛУ и УУ в одной сверхбольшой интегральной схеме (микропроцессор). Уменьшение габаритов ОЗУ позволило разместить микропроцессор и ОЗУ на одной электронной плате (материнская). Все связи между отдельными устройствами объединены в пучок параллельных проводов (системная шина).

2. Информация кодируется в двоичной форме.

3. Алгоритм представляется в форме последовательности команд, совокупность которых называется программой.

4. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти.

Лекция №2

Классификация ЭВМ

1.Классификации компьютеров

Номенклатура видов компьютеров сегодня огромная: машины различаются по назначению, мощности, размерам, элементной базе и т.д. Поэтому классифицируют ЭВМ по разным признакам. Следует заметить, что любая классификация является в некоторой мере условной, поскольку развитие компьютерной науки и техники настолько бурное, что, например, сегодняшняя микро ЭВМ не уступает по мощности миниЭВМ пятилетней давности и даже суперкомпьютерам недавнего прошлого. Кроме того, зачисление компьютеров к определенному классу довольно условно через нечеткость разделения групп, так и вследствии внедрения в практику заказной сборки компьютеров, где номенклатуру узлов и конкретные модели адаптируют к требованиям заказчика. Рассмотрим распространенные критерии классификации компьютеров.

Классификация по назначению

• большие электронно-вычислительные машины (ЭВМ);

• миниЭВМ;

• микроЭВМ;

• персональные компьютеры.

Большие ЭВМ (Main Frame)

Применяют для обслуживания крупных областей народного хозяйства. Они характеризуются 64-разрядными параллельно работающими процессорами (количество которых достигает до 100), интегральным быстродействием до десятков миллиардов операций в секунду, многопользовательским режимом работы. Доминирующее положение в выпуске компьютеров такого класса занимает фирма IBM (США). Наиболее известными моделями суперЭВМ являются: IBM 360, IBM 370, IBM ES/9000, Cray 3, Cray 4, VAX-100, Hitachi, Fujitsu VP2000.

На базе больших ЭВМ создают вычислительный центр, который содержит несколько отделов или групп (структура которого изображена на рис. 2). Штат обслуживания - десятки людей.

Рис.2. Структура вычислительного центра на базе большой ЭВМ

Центральный процессор - основной блок ЭВМ, в котором происходит обработка данных и вычисление результатов. Представляет собой несколько системных блоков в отдельной комнате, где поддерживается постоянная температура и влажность воздуха.

Группа системного программирования - занимается разработкой, отладкой и внедрением программного обеспечения, необходимого для функционирования вычислительной системы. Системные программы обеспечивают взаимодействие программ с оборудованием, то есть программно-аппаратный интерфейс вычислительной системы.

Группа прикладного программирования - занимается созданием программ для выполнения конкретных действий с данными, то есть обеспечение пользовательского интерфейса вычислительной системы.

Группа подготовки данных - занимается подготовкой данных, которые будут обработаны на прикладных программах, созданных прикладными программистами. В частности, это набор текста, сканирование изображений, заполнение баз данных.

Группа технического обеспечения - занимается техническим обслуживанием всей вычислительной системы, ремонтом и отладкой аппаратуры, подсоединением новых устройств.

Группа информационного обеспечения - обеспечивает технической информацией все подразделения вычислительного центра, создает и сохраняет архивы разработанных программ (библиотеки программ) и накопленных данных (банки данных).

Отдел выдачи данных - получает данные от центрального процессора и превращает их в форму, удобную для заказчика (распечатка).

Большим ЭВМ присуща высокая стоимость оборудования и обслуживания, поэтому работа организована непрерывным циклом.

по уровню специализации

• универсальные;

• специализированные.

На базе универсальных ПК можно создать любую конфигурацию для работы с графикой, текстом, музыкой, видео и т.п.. Специализированные ПК созданы для решения конкретных задач, в частности, бортовые компьютеры в самолетах и автомобилях. Специализированные миниЭВМ для работы с графикой (кино- видеофильмы, реклама) называются графическими станциями. Специализированные компьютеры, объединяющие компьютеры в единую сеть, называются файловыми серверами. Компьютеры, обеспечивающие передачу информации через Интернет, называются сетевыми серверами.

Классификация по размеру

• настольные (desktop);

• портативные (notebook);

• карманные (palmtop).

Наиболее распространенными являются настольные ПК, которые позволяют легко изменять конфигурацию. Портативные удобны для пользования, имеют средства компьютерной связи. Карманные модели можно назвать "интеллектуальными" записными книжками, разрешают хранить оперативные данные и получать к ним быстрый доступ.

Классификация по совместимости

Существует великое множество типов компьютеров, которые собираются из деталей, изготовленных разными производителями. Важным является совместимость обеспечения компьютера:

• аппаратная совместимость (платформа IBM PC и Apple Macintosh)

• совместимость на уровне операционной системы;

• программная совместимость;

• совместимость на уровне данных.

Персональные компьютеры

Бурное развитие приобрели в последние 20 лет. Персональный компьютер (ПК) предназначен для обслуживания одного рабочего места и способен удовлетворить потребности малых предприятий и отдельных лиц. С появлением Интернета популярность ПК значительно возросла, поскольку с помощью персонального компьютера можно пользоваться научной, справочной, учебной и развлекательной информацией.
Персональные компьютеры условно можно поделить на профессиональные и бытовые, но в связи с удешевлением аппаратного обеспечения, грань между ними размывается. С 1999 года введен международный сертификационный стандарт - спецификация РС99:

• массовый персональный компьютер (Consumer PC)

• деловой персональный компьютер (Office PC)

• портативный персональный компьютер (Mobile PC)

• рабочая станция (WorkStation)

• развлекательный персональный компьютер (Entertaiment PC)

Большинство персональных компьютеров на рынке подпадают до категории массовых ПК. Деловые ПК - имеют минимум средств воспроизведения графики и звука. Портативные ПК отличаются наличием средств коммуникации отдаленного доступа (компьютерная связь). Рабочие станции - увеличенные требования к устройствам хранения данных. Развлекательные ПК - основной акцент на средствах воспроизведения графики и звука.

Контрольные вопросы

1. Что такое архитектура компьютера? Общая структура компьютера?

2. Принципы современной архитектуры компьютера?

3. Методы классификации компьютеров? Классификация по назначению?

4. Большие ЭВМ (Main Frame)? Структура вычислительного центра на базе большой ЭВМ?

5. МиниЭВМ? МикроЭВМ?

6. Персональные компьютеры? Классификация по международному сертификационному стандарту?

7. Классификация по уровню специализации? Классификация по размеру? Классификация по совместимости?

Лекция №3

Принципы построения и архитектура ЭВМ

1. Принципы построения ЭВМ

Основные принципы построения ЭВМ были сформулированы американским учёным Джоном фон Нейманом в 40-х годах 20 века:

1. Любую ЭВМ образуют три основные компоненты: процессор, память и устройства ввода-вывода (УВВ).

2. Информация, с которой работает ЭВМ делится на два типа:

• набор команд по обработке (программы);

• данные подлежащие обработке.

3. И команды, и данные вводятся в память (ОЗУ) - принцип хранимой программы.

4. Руководит обработкой процессор, устройство управления (УУ) которого выбирает команды из ОЗУ и организует их выполнение, а арифметико-логическое устройство (АЛУ) проводит арифметические и логические операции над данными.

5. С процессором и ОЗУ связаны устройства ввода-вывода (УВВ).

Архитектура современных персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе. Информационная связь между устройствами компьютера осуществляется через системную шину (другое название - системная магистраль).

Шина - это кабель, состоящий из множества проводников. По одной группе проводников - шине данных передаётся обрабатываемая информация, по другой - шине адреса - адреса памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор. Третья часть магистрали - шина управления, по ней передаются управляющие сигналы (например, сигнал готовности устройства к работе, сигнал к началу работы устройства и др).

Системная шина характеризуется тактовой частотой и разрядностью. Количество одновременно передаваемых по шине бит называется разрядностью шины. Тактовая частота характеризует число элементарных операций по передаче данных в 1 секунду. Разрядность шины измеряется в битах, тактовая частота - в мегагерцах.

Всякая информация, передаваемая от процессора к другим устройствам по шине данных, сопровождается адресом, передаваемым по адресной шине. Это может быть адрес ячейки памяти или адрес периферийного устройства. Необходимо, чтобы разрядность шины позволила передать адрес ячейки памяти. Таким образом, словами разрядность шины ограничивает объем оперативной памяти ЭВМ, он не может быть больше чем , где n - разрядность шины. Важно, чтобы производительности всех подсоединённых к шине устройств были согласованы. Неразумно иметь быстрый процессор и медленную память или быстрый процессор и память, но медленный винчестер.

Ниже представлена схема устройства компьютера, построенного по магистральному принципу:

В современных ЭВМ реализован принцип открытой архитектуры, позволяющий пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости её модернизацию. Конфигурацией компьютера называют фактический набор компонентов ЭВМ, которые составляют компьютер. Принцип открытой архитектуры позволяет менять состав устройств ЭВМ. К информационной магистрали могут подключаться дополнительные периферийные устройства, одни модели устройств могут заменяться на другие.

Аппаратное подключение периферийного устройства к магистрали на физическом уровне осуществляется через специальный блок - контроллер (другие названия - адаптер, плата, карта). Для установки контроллеров на материнской плате имеются специальные разъёмы - слоты.

Программное управление работой периферийного устройства производится через программу - драйвер, которая является компонентой операционной системы. Так как существует огромное количество разнообразных устройств, которые могут быть установлены в компьютер, то обычно к каждому устройству поставляется драйвер, взаимодействующий непосредственно с этим устройством.

Связь компьютера с внешними устройствами осуществляется через порты - специальные разъёмы на задней панели компьютера. Различают последовательные и параллельные порты. Последовательные (COM - порты) служат для подключения манипуляторов, модема и передают небольшие объёмы информации на большие расстояния. Параллельные (LPT - порты) служат для подключения принтеров, сканеров и передают большие объёмы информации на небольшие расстояния. В последнее время широкое распространение получили последовательные универсальные порты (USB), к которым можно подключать различные устройства.

Минимальная конфигурация компьютера включает в себя: системный блок, монитор, клавиатуру и мышь.

Содержание

Раздел 1. Архитектура и структура ЭВМ

Тема 1.1. История развития вычислительной техники

Тема 1.2. Классификация ЭВМ

Тема 1.3. Принципы построения и архитектура ЭВМ

Тема 1.5. Основные устройства ЭВМ. Технические характеристики ПК

Тема 1.7. Современные ПК. Мобильные технологии.

Раздел 2. Арифметические и логические основы ЭВМ

Тема 2.1. Системы счисления. Непозиционные и позиционные системы счисления

Тема 2.2. Двоичная система счисления. Десятичная система счисления.

Тема 2.4. Восьмеричная система счисления. Алгоритм перевода числа из восьмеричной системы счисления в десятичную. Перевода числа из восьмеричной системы счисления в двоичную

Тема 2.7. Представление данных в ПК. Виды данных и представление в ЭВМ

Тема 2.9. Типы данных, структуры данных, форматы файлов.

Тема 2.12. Базовые логические операции и схемы вычислительной техники

Тема 2.14. Законы алгебры логики. Таблицы истинности.

Раздел 3. Цифровые узлы и устройства вычислительной техники

Тема 3.1. Классификация элементов и узлов цифровых устройств.

Тема 3.2. Схемные логические элементы ЭВМ: регистры, триггеры, сумматоры.

Тема 3.4. Триггеры. Асинхронные и синхронные триггеры.

Тема 3.5. Шифраторы и дешифраторы. Регистры. Счетчики. Сумматоры

Раздел 4. Запоминающие устройства микропроцессорной техники

Тема 4.1. Виды памяти. Оперативная память.

Тема 4.3. Системы отображения информации. Параметры и характеристики мониторов.

Раздел 5. Системы мультимедиа

Тема 5.1. Назначения и состав систем мультимедиа.

Тема 5.2. Сканеры. Принцип работы сканера

Тема 5.3. Анимационные устройства ввода-вывода