МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Технические средства информатики
Преподаватель каф. ЭАФУ
Егорова Ольга Викторовна
 понятие ЭВМ
 эволюция ЭВМ
 классификация вычислительных машин
 структура и архитектура ЭВМ
 устройство персонального компьютера (ПК)
2
3
Блез Паскаль
французский ученый
(1623 – 1662 гг.)
Готфрид Лейбниц
немецкий ученый
(1646– 1716 гг.)
Чарльз Бэббидж Ада Лавлейс
английский ученый
английский математик
(1791– 1871 гг.) (1815– 1852 гг.)
4
В начале XIX века КОМПЬЮТЕРОМ называлась профессия
человека занимающегося расчетами, вычислениями
5
Под поколением понимают все типы и
модели
ЭВМ,
разработанные
различными
конструкторско-техническими коллективами, но
построенных на одних и тех же научных и
технических принципах
Появление
определялось
каждого
тем,
что
нового
поколения
появлялись
новые
базовые элементы, технология изготовления
которых
принципиально
отличалась
от
предыдущего поколения
6
Поколения ЭВМ
Элементная
база
Первое
1946-1959 гг.
Второе
1960-1969 гг.
Электронные
вакуумные
лампы
Полупроводник
овые
транзисторы
Тип ЭВМ
Основные
устройства
ввода
Устройства
вывода
Большие
Пульт,
перфокарты,
перфоленты
Добавился
алфавитноцифровой дисплей
Алафитно-цифровое печатающее
устройство, перфоленты
Третье
1970-1979 гг.
Четвертое
С 1980 г.
Интегральные
схемы
Большие
интегральные
схемы (БИС)
Малые (мини)
Микро
Алфавитноцифровой дисплей,
клавиатура
Цветной графический
дисплей,сканер,
клавиатура
Графопостроитель, принтер
Внешняя
память
Магнитные ленты,
барабаны,
перфоленты,
перфокарты
Добавился
магнитный диск
Перфоленты,
магнитные диски
Магнитные и
оптические диски
Ключевые
решения в ПО
Универсальные
языки
программирования,
трансляторы
Пакетные
операционные
системы,
оптимизирующие
трансляторы
Интегрированные
ОС,
структурированнные
языки
программирования
Дружественное ПО,
сетевые ОС
Режимы
работы
Однопрограммный
Пакетный
Разделение
времени
Персональная работа
и сетевая обработка
данных
Цель
Научнотехнические
расчеты
Технические и
экономические
расчеты
Управление и
экономические
расчеты
Телекоммуникации,
информационное
обслуживание
7
ENIAC
(Electronic Numeral Integrator And Computer –
электронный числовой интегратор и компьютер)
I поколение
(1946 – середина 50-х г.г.)
 Элементная база
- электронновакуумные лампы
 Габариты – в виде шкафов и занимали
машинные залы
Был создан в 1946 г. учеными
Пенсильванского университета под
руководством Джона Моучли
 Программирование осуществлялось в
машинных командах, а отладка за
пультом управления
 Данные
вводились
с
перфокарт и магнитных
хранимыми программами
помощью
лент с
 Быстродействие – 10 – 100 тыс. оп./с.
 Эксплуатация – очень сложна
 Программирование
процесс
Лебедев С.А.
Основоположником
отечественной
вычислительной техники
(1902 -1974 гг.)
–
трудоемкий
 Структура ЭВМ – по жесткому принципу
Малая электронная счетная машина
(МЭСМ)
8
В 1949 г. американские физики
Уолтер Браттейн и Джон Бардин
изобрели транзистор
В 1954 г. Гордон Тил применил
кремний для изготовления
транзистора
II поколение
(середина 50-х - середина 60-х г.г.)
 Элементная база – транзисторы
 Габариты
–
однотипные
стойки,
требующие машинный зал
 Быстродействие – 100 тысяч – 1 млн.
оп./с
 Понижено энергопотребление
 Повысилась надежность
 Появилась память на магнитных дисках
 Появились
первые
операционные
системы
 Программирование
осуществлялось
с
использованием языков высокого уровня
(Фортран, Бейсик, Алгол и д.р.)
 Структура
ЭВМ
–
микропрограммный
способ управления
 Эксплуатация – упростилась
9
В 1958 г. Джек Килби изобрел первую
III поколение
интегральную схему (ИС), а Роберт Нойс –
первую промышленную интегральную схему
(Chip)
Интегральная схема - это кремниевый
кристалл, площадь которого примерно 10
мм2. Одна ИС способна заменить десятки
тысяч транзисторов
(60 – 70 гг.)
 Элементная база – интегральные схемы (ИС),
большие интегральные схемы ( БИС)
 Габариты
–
однотипные
стойки,
требующие
есть
программно
машинный зал
 Единая
архитектура,
то
совместимые
 Быстродействие – сотни тысяч – миллионы оп./с
 Эксплуатация – оперативно производится ремонт
 Программирование – подобно II поколению
 Обладают
возможностями
мультипрограммирования,
т.е.
одновременного
выполнения нескольких программ
 Структура
ЭВМ
–
принцип
модульности
и
магистральности
 Появились дисплеи, магнитные диски
 Задачи управления памятью, устройствами и
ресурсами стала брать на себя операционная
система или же непосредственно сама машина
10
В 1971 г. был создан первый
микропроцессор Intel 4004
IV поколение
(70 г. – по наше время)
 Элементная база – сверхбольшие
интегральные схемы (СБИС)
 Создание
В 1981 г. был создан IBM PC
многопроцессорных
вычислительных систем
 Создание дешевых и компактных
микроЭВМ и персональных ЭВМ и
на их базе вычислительных сетей
Пример СБИС
Характеристики:
 выполнен на базе процессора Intel 8088 c тактовой частотой
4,77 МГц;
 работал под управлением операционной системы PC Dos 1.0;
 базовая цена 1565 $.
11
По вычислительной мощности:
- супер-ЭВМ;
По области применения:
- большие ЭВМ;
- универсальные;
- мини-ЭВМ;
- проблемно-ориентированные;
-микро-ЭВМ
-специализированные
Современная классификация компьютеров:
По принципам действия:
- карманные компьютеры КПК (PocketPC);
- аналоговые;
- портативные компьютеры (Laptop);
-цифровые;
- настольные компьютеры (BasePC);
-гибридные
- рабочие станции (workstation);
- серверы (Server);
- суперкомпьютеры (Super Computer);
- кластерные системы (Cluster System).
12
Структура ЭВМ - совокупность элементов и связей
между ними
Архитектура ЭВМ - включает в себя как структуру,
отражающую состав ЭВМ, так и
программно – математическое
обеспечение
К архитектуре относятся:
 структуру памяти ЭВМ
 способы доступа к памяти и внешним устройствам
 возможность изменения конфигурации
 систему команд
 форматы данных
 организацию интерфейса
13
 принцип программного управления
 принцип однородности памяти
 принцип адресности
Джон фон Нейман,
американский математик
(1903 – 1957 г.г.)
 арифметико-логическое устройство (АЛУ)
 управляющее устройство (УУ)
 оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)
 внешние запоминающее устройство (ВЗУ)
 устройства ввода и вывода
14
Внешнее
запоминающее
устройстов
Процессор
Устройство
управления
Устройства
ввода
Счетчик
команд
Арифметикологическое
устройство
Устройства
вывода
Регистр
команд
ОЗУ
1
Команда 1
2
Команда 2
...
n
15
Процессор
Оперативная память
Шина данных (4, 8, 16, 32, 64 бит)
Шина адресов (8, 16, 20, 24, 32, 36 бит)
Шина управления
Контроллер
Устройства
ввода
Контроллер
Долговременная
память
Магистраль
(общая шина)
Контроллер
Устройства
вывода
Контроллер
Сетевые
устройства
16
17
постоянно расширяется и совершенствуется набор внешних
устройств, что ведет, к усложнению системы связей между
узлами ЭВМ
вычислительные машины становятся многопроцессорными
стремление к повышению быстродействия ЭВМ не только для
вычислений, но и для логического анализа информации, может
привести к пересмотру традиционной фон-неймановской
архитектуры
развиваются вычислительные компьютерные сети
18
совокупность
сведений
в
необходимых
процессору
двоичном
для
коде,
выполнения
очередного шага
 тип операции
 адрес ячеек оперативной памяти, в которых хранятся обрабатываемые данные
 адрес ячеек памяти, куда будет записываться результат выполнения операции
заранее обговоренная структура полей,
КОП
КОП – код операции
позволяющая ЭВМ распознавать составные части
А3
0
7
кода команды
КОП
А1
15
КОП
23
0
65
А1
17 16
А3
А3
А2
12 11
65
0
19
Операнды
данные, над которыми нужно совершить
некоторую операцию
Принципы поиска операндов:
предполагает, что операнд находится по
Адресный поиск
адресу,
указанному
в
адресном
поле
операнда
по
команд
предполагает
Ассоциативный поиск
поиск
ассоциативному признаку, содержащемуся
в команде
Исполнительный адрес операнда
Адресный код команды
двоичный код номера ячейки памяти,
по которому будет записан или
считан операнд
двоичный код в адресном поле команды, с
помощью которого необходимо
сформировать исполнительный адрес
операнда
20
1) По наличию адресной информации в команде:
явная адресация
- в коде команде есть поле адреса операнда
неявная адресация - адресное поле в команде отсутствует, а адрес
операнда подразумевается кодом операции
2) По кратности обращения в оперативную память:
непосредственная адресация
(direct addressing)
КОП
косвенную адресацию (indirect addressing)
000001000
(Операнд)
КОП
прямую адресацию
(immediate addressing)
КОП
Aисп
Оперативная
память
Ak
Aисп
Оперативная
память
Ak
Указатель
Операнд
Операнд
21
3) По способу формирования адресов ячеек памяти:
Абсолютная адресация - двоичный код адреса ячейки памяти
может быть целиком извлечен либо из
адресного поля команды, либо из
какой-нибудь другой ячейки в случае
косвенной адресации
Относительная адресация - двоичный код операнда образуется
из нескольких составляющих:
- Б - код базы
- И - код индекса
- С - код смещения
22
КОП
Aи
С
Aб
Оперативная
память
Регистровая
память
Индексная адресация
Индекс
Операнд
База
S
Автоиндексная адресация
Запись
Чтение
А
В
А
А
Стековая адресация
Стек пуст
Запись
Запись
Чтение
Стек пуст
23
Система команд ЭВМ - множество реализуемых машинных действий
1) Команды передачи данных (перепись):
- обмен между регистрами процессора
- процессора и оперативной памятью
- процессора и периферийными установками
2) Арифметические операции
3) Логические операции
4) Сдвиги двоичного кода влево и вправо
5) Команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами
6) Команды управления, реализующие нелинейные алгоритмы
CISC (Complex Instruction Set Computer) - компьютер с полным
набором команд
RISC (Reduced Instruction Set Computer) - компьютер
с ограниченным
набором команд
24
Микрокомпьютеры
1971-1975 гг.
предлагались виде комплекта деталей или
инструкции для сборки
Компьютер Альтаир 8800
1975 г
родоначальник линии ПК, основанных на
шине S-100
Компьютер Apple II
(домашний компьютер)
1977 г.
первый массовый персональный компьютер
компании Apple Computer
Компьютерная система IBM PC положила начало эпохе современных ПК
(фирменный номер модели IBM 5150)
1981 г.
Apple Lisa
1983 г.
первый персональный компьютер
графическим интерфейсом (GUI)
с
25
Apple Macintosh
1984 г.
Amiga (Amiga 1000)
1985 г.
Банкротство
корпорации
Commodore и
появление Microsoft
Windows 95
1995 г.
первый по-настоящему массовым ПК с
графическим интерфейсом
первый
в
мире
мультимедийный
персональный компьютер
приблизили
IBM
PC-совместимые
компьютеры
к
тем
возможностям,
которые существовали на Commodore
Amiga и Apple Macintosh
26
ПК «АГАТ»
1984 г.
первый
серийно
выпускавшийся
персональный компьютер
БК-0010, Корвет,
МС0511 «УКНЦ» и
другие
были разработаны следующими и
получили широкое распространение
ЕС ПЭВМ
были совместимы с IBM PC
27
универсальная техническая система,
Персональный компьютер (ПК) –
конфигурацию которого можно гибко
менять по мере необходимости
2
1
1 - системный блок
4
3
2 - монитор
3 - клавиатура
4 - мышь
5
5 - др. периферийные устройства
28
29
Системный блок - это основной узел ПК, внутри которого
установлены наиболее важные компоненты
Внутренние устройства - установлены
внутри системного блока
Внешние (периферийные) устройства подключаются
к
системному
блоку
снаружи
30
Исполнение корпуса системного блока:
 вертикальном (tower)
 горизонтальном (desktop)
Виды вертикального корпуса:
 полноразмерный (big tower)
 среднеразмерный (midi tower)
 малоразмерный (mini tower)
Форм-фактор определяет:
 геометрические размеры материнских
плат
 общие требования по положению
разъёмов и отверстий на корпусе
Виды форм-факторов:
 положение блока питания в корпусе
ATX
 геометрические размеры блока питания
Micro-ATX (µATX, mATX, uATX)
 электрические характеристики блока
Mini-ITX (µITX, mITX)
BTX
eATX (EATX)
питания
 форму и положение ряда разъёмов
(преимущественно питания)
31
Системная плата -
это основная плата ПК, которая содержит схемные
компоненты
компьютера
потенциальные
и
возможности
определяет
и
его
эффективность
работы
Содержит:
 процессор
 микропроцессорный комплект (чипсет)
 шины
 оперативная память
 постоянное запоминающее устройство
 слоты расширения
Системная плата стандарта ATX
32
Форм-фактор системной платы – стандарт, определяющий:
 размеры системной платы
 места ее крепления к корпусу
 расположение на ней:
 интерфейсов шин
 портов ввода/вывода
 разъёма центрального процессора (если он есть)
 слотов для оперативной памяти
 тип разъема для подключения блока питания
Виды форм-факторов:
Устаревшие: Baby-AT; Mini-ATX; полноразмерная плата AT; LPX.
Современные: АТХ; microATX; Flex-АТХ; NLX; WTX, CEB.
Внедряемые: Mini-ITX и Nano-ITX; Pico-ITX; BTX, MicroBTX и PicoBTX
33