В каждой области науки и техники существуют фундаментальные идеи или принципы, определяющие на многие годы вперёд её содержание и направление развития. В компьютерных науках роль таких фундаментальных идей сыграли принципы, сформулированные независимо друг от друга двумя крупнейшими учёными XX века — Джоном фон Нейманом и Сергеем Алексеевичем Лебедевым.
Принцип — основное, исходное положение какой-нибудь теории, учения, науки и пр.
Принципы Неймана-Лебедева — базовые принципы построения ЭВМ, сформулированные в середине прошлого века, не утратили свою актуальность и в наши дни.
Джон фон Нейман (1903-1957) — американский учёный, сделавший важный вклад в развитие целого ряда областей математики и физики. В 1946 г., анализируя сильные и слабые стороны ЭНИАКа, совместно с коллегами пришёл к идее нового типа организации ЭВМ.
Сергей Алексеевич Лебедев (1902-1974) — академик, основоположник вычислительной техники в СССР, главный конструктор первой отечественной электронной вычислительной машины МЭСМ, автор проектов компьютеров серии БЭСМ (Большая Электронная Счётная Машина), разработчик принципиальных положений суперкомпьютера «Эльбрус». В 1996 году посмертно награждён медалью «Пионер компьютерной техники» — самой престижной наградой международного компьютерного сообщества.
Рассмотрим сущность основных принципов Неймана-Лебедева:
1) состав основных компонентов вычислительной машины;
2) принцип двоичного кодирования;
3) принцип однородности памяти;
4) принцип адресности памяти;
5) принцип иерархической организации памяти;
6) принцип программного управления.
Первый принцип определяет состав основных компонентов вычислительной машины.
Любое устройство, способное производить автоматические вычисления, должно иметь определённый набор компонентов: блок обработки данных, блок управления, блок памяти и блоки ввода/вывода информации.
Функциональная схема такого компьютера, отражающая программное управление работой и взаимодействием его основных узлов, представлена на рисунке 2.5.
Рис. 2.5. Функциональная схема компьютеров первых поколений
Его информационным центром является процессор:
• все информационные потоки (тонкие стрелки на рисунке) проходят через процессор;
• управление всеми процессами (толстые стрелки на рисунке) также осуществляется процессором.
Такие блоки есть и у современных компьютеров. Это:
• процессор, состоящий из арифметико-логического устройства (АЛУ), выполняющего обработку данных, и устройства управления (УУ), обеспечивающего выполнение программы и организующего согласованное взаимодействие всех узлов компьютера;
• память, предназначенная для хранения исходных данных, промежуточных величин и результатов обработки информации, а также самой программы обработки информации. Различают память внутреннюю и внешнюю. Основная часть внутренней памяти используется для временного хранения программ и данных в процессе обработки. Такой вид памяти принято называть оперативным запоминающим устройством (ОЗУ). Ещё одним видом внутренней памяти является постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), содержащее программу начальной загрузки компьютера. Внешняя или долговременная память предназначена для длительного хранения программ и данных в периоды между сеансами обработки;
• устройства ввода, преобразующие входную информацию в форму, доступную компьютеру;
• устройства вывода, преобразующие результаты работы компьютера в форму, доступную для восприятия человеком.
Вместе с тем в архитектуре современных компьютеров и компьютеров первых поколений есть существенные отличия. О них будет сказано чуть ниже.
Рассмотрим суть принципа двоичного кодирования информации.
Вся информация, предназначенная для обработки на компьютере (числа, тексты, звуки, графика, видео), а также программы её обработки представляются в виде двоичного кода — последовательностей 0 и 1.
Все современные компьютеры хранят и обрабатывают информацию в двоичном коде. Выбор двоичной системы счисления обусловлен рядом важных обстоятельств: простотой выполнения арифметических операций в двоичной системе счисления, её «согласованностью» с булевой логикой, простотой технической реализации двоичного элемента памяти (триггера).
Несмотря на всеобщее признание, использование в компьютерной технике классической двоичной системы счисления не лишено недостатков. В первую очередь это проблема представления отрицательных чисел, а также нулевая избыточность (т. е. отсутствие избыточности) двоичного представления. Пути преодоления указанных проблем были найдены уже на этапе зарождения компьютерной техники.
В 1958 г. в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова под руководством И. П. Брусенцова был создан троичный компьютер «Сетунь» (рис. 2.6). В нём применялась уравновешенная троичная система счисления, использование которой впервые в истории позволило представлять одинаково просто как положительные, так и отрицательные числа.
Итак, благодаря двоичному кодированию, данные и программы по форме представления становятся одинаковыми, а следовательно, их можно хранить в единой памяти.
Рис. 2.6. ЭВМ «Сетунь»
Команды программ и данные хранятся в одной и той же памяти, и внешне в памяти они неразличимы. Распознать команды и данные можно только по способу использования. Это утверждение называют принципом однородности памяти.
Так как представленные в памяти команды и данные внешне неразличимы, то одно и то же значение в ячейке памяти может использоваться и как данные, и как команда в зависимости лишь от способа обращения к нему. Так, если к двоичной последовательности обращаются как к числу, то в ней выделяют поле (область) знака и поле значащих разрядов. Если к двоичной последовательности обращаются как к команде, то в ней выделяют поле кода операции и поле адресов операндов.
Однородность памяти позволяет производить операции не только над данными, но и над командами. Взяв в качестве данных для некоторой программы команды другой программы, в результате её исполнения можно получить команды третьей программы. Данная возможность лежит в основе трансляции — перевода текста программы с языка высокого уровня на язык конкретной вычислительной машины.
Структурно оперативная память компьютера состоит из отдельных битов — однородных элементов, обладающих двумя устойчивыми состояниями, одно из которых соответствует нулю, а другое — единице. Для записи или считывания группы соседних битов объединяются в ячейки памяти, каждая из которых имеет свой номер (адрес).
Команды и данные размещаются в единой памяти, состоящей из ячеек, имеющих свои номера (адреса). Это принцип адресности памяти.
Очень важно, что информация может считываться из ячеек и записываться в них в произвольном порядке, т. е. процессору в произвольный момент доступна любая ячейка памяти. Организованную таким образом память принято называть памятью с произвольным доступом.
Разрядность ячеек памяти (количество битов в ячейке) у компьютеров разных поколений была различной. Основой оперативной памяти современных компьютеров является восьмибитная ячейка. Ячейка такой разрядности может быть использована для работы с одним символом. Для хранения чисел используется несколько последовательных ячеек (четыре — в случае 32-битного числа).
На современных компьютерах может одновременно извлекаться из памяти и одновременно обрабатываться до 64 разрядов (т. е. до восьми байтовых (восьмибитных) ячеек). Это возможно благодаря реализации на них принципа параллельной обработки данных — одновременного (параллельного) выполнения нескольких действий.
Можно выделить два основных требования, предъявляемых к памяти компьютера:
1) объём памяти должен быть как можно больше;
2) время доступа к памяти должно быть как можно меньше.
Создать запоминающее устройство, одновременно удовлетворяющее двум этим требованиям, затруднительно. Действительно, в памяти большого объёма требуемые данные искать сложнее, в результате чего их чтение замедляется. Для ускорения чтения нужно использовать более сложные технические решения, что неизбежно приводит к повышению стоимости всего компьютера. Решение проблемы — использование нескольких различных видов памяти, связанных друг с другом. В этом и состоит суть принципа иерархической организации памяти.
Трудности физической реализации запоминающего устройства высокого быстродействия и большого объёма требуют иерархической организации памяти.
В современных компьютерах используются устройства памяти нескольких уровней, различающиеся по своим основным характеристикам: времени доступа, сложности, объёму и стоимости. При этом более высокий уровень памяти меньше по объёму, быстрее и имеет большую стоимость в пересчёте на байт, чем более низкий уровень. Уровни иерархии взаимосвязаны: все данные на одном уровне могут быть также найдены на более низком уровне.
Большинство алгоритмов обращаются в каждый промежуток времени к небольшому набору данных, который может быть помещён в более быструю, но дорогостоящую и поэтому небольшую память. Использование более быстрой памяти увеличивает производительность вычислительного комплекса.
Главное отличие компьютеров от всех других технических устройств — это программное управление их работой.
Принцип программного управления определяет общий механизм автоматического выполнения программы.
Все вычисления, предусмотренные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности команд. Команды представляют собой закодированные управляющие слова, в которых указывается:
• какое выполнить действие;
• из каких ячеек считать операнды (данные, участвующие в операции);
• в какую ячейку записать результат операции.
Команды, входящие в программу, выполняются процессором автоматически в определённой последовательности. При этом выполняется следующий цикл действий:
1) чтение команды из памяти и её расшифровка;
2) формирование адреса очередной команды;
3) выполнение команды.
Этот цикл повторяется до достижения команды, означающей окончание выполнения программы, решающей некоторую конкретную задачу. В современных компьютерах по завершении работы программы управление передаётся операционной системе.
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?
Вам будет интересно: Смартфон Sony Xperia L: отзывы, характеристики, особенности
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.
Прикладное программное обеспечение
Для выполнения различных практических задач пользователя используется прикладное программное обеспечение. С помощью него можно выполнять различные вычисления, создавать текстовые и графические документы. Прикладные программы также называют приложениями, к их числу относятся текстовые, графические, табличные редакторы, программы для создания презентаций.
В курсе информатики за 5 класс рассказано о возможностях мыши как основного устройства ввода для управления компьютером. На экране монитора мышь отображается обычно в виде стрелки, которая перемещается синхронно движению мыши. Эта движущаяся стрелка называется указателем мыши. Внешний вид указателя можно настроить через команду «Персонализация» контекстного меню рабочего стола операционной системы.
Мышью можно воздействовать на различные графические элементы интерфейса компьютерных программ. Современные приложения снабжены широким набором средств графического интерфейса.
Основными элементами графического интерфейса являются:
- Командные кнопки
- Поле для ввода текста
- Выпадающие списки
- Флажки
- Переключатели
Рис. 3. Элементы графического интерфейса пользователя.
Первый графический интерфейс был придуман в 1960 году. Программа с первым графическим интерфейсом и позволяла рисовать на экране фигуры световым пером. Такой интерфейс сильно отличался от современных, интуитивно понятных графических оболочек компьютерных программ.
Классификация по назначению Классификация по назначению связана с тем, как компьютер применяется
1) Классификация по назначению
Классификация по назначению связана с тем, как компьютер применяется. По этому принципу различают:
большие ЭВМ
мини – ЭВМ
микро – ЭВМ
ПК
Это самые мощные компьютеры, которые применяются для обслуживания очень крупных организаций и целых отраслей народного хозяйства. Штат обслуживания больших ЭВМ достигает нескольких десятков человек. На базе таких ЭВМ создают вычислительные центры (ВЦ).
Программный принцип управления компьютером
В основе управления компьютером лежит программный принцип. Суть его заключается в том, что компьютер работает по заранее заданной программе, находящейся в его памяти. В конкретный момент времени выполняется задача активной программы, то есть той, что загружена в память компьютера в данный момент. Как только будет выполнена одна программа, в память загружается другая.
Программа представляет собой набор инструкций (команд), выполняемых в определенной логической последовательности. Программы позволяют реализовать различные пользовательские задачи, управляя работой аппаратурой компьютера.
Команды, из которых строится программа, представлены в ЭВМ в числовом коде. Последовательность инструкций, которые выполняет компьютер, записанные по определенным правилам образуют машинный язык. Люди, которые пишут программы, именуются программистами.
Набор всех установленных в компьютере программ и приложений, называется программным обеспечением.
Первым программистом была женщина по имени Ада Лавлейс. Она жила в 19 веке и занималась математикой. Первая программа была написана для вычислительного устройства, разработанного английским изобретателем Чарльзом Бэббиджем.
Рис. 1. Аналитическая машина Чарльза Бэббиджа.
В зависимости от выполняемых задач программное обеспечение может быть:
Принцип работы ПК
Похожие статьи:
Реферат Учебная дисциплина Информационные технологии в профессиональной деятельности Тема: Классификация программного обеспечения Работу выполнила:…
2.1. Что такое компьютер? Компьютер (англ. computer — вычислитель) представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать…
Этим термином принято характеризовать совокупность правил, процедурных наборов, программных компонентов, официальной сопроводительной документации, позволяющей обрабатывать данные и реализовывать заявленную функциональность системы.
Программное обеспечение
Код ОГЭ: 1.4.3. Программное обеспечение, его структура. Программное обеспечение общего назначения
♦ Программное обеспечение (ПО) — это совокупность программ, предназначенных для решения определенных задач на компьютере.
В зависимости от области использования программ их можно разделить на 3 класса:
- системное программное обеспечение (СПО) — требуется для управления работой компьютера;
- прикладное программное обеспечение (ППП — пакеты прикладных программ) — необходимо пользователю для выполнения различных задач;
- инструментальные системы программирования (ИСП) — предназначены для создания новых компьютерных программ.
Внешние устройства компьютера
Внешних устройств для ПК производится очень много: и типов, и моделей. Назовем некоторые из них, которые могут представлять интерес в самом начале знакомства с компьютером (и которые не входят в базовую конфигурацию компьютера).
- Память (внутренняя, внешняя)
- Внешняя память,предназначенная для временного хранения информации
- Магнитный принцип записи и считывания информации
Устройство для длительного хранения данных и программ. Своего рода библиотека компьютера, где хранятся все программы и данные.
В накопителях на гибких магнитных дисках (НГМД) и накопителях на жестких магнитных дисках (НЖМД), или винчестерах, в основу записи информации положено намагничивание ферромагнетиков в магнитном поле, хранение информации основывается на сохранении намагниченности, а считывание информации базируется на явлении электромагнитной индукции. Считывание и запись информации на вращающийся намагничивающийся диск осуществляется с помощью магнитных головок, которые перемещаются вдоль заранее размеченных дорожек. Жесткий диск отличается большой емкостью (сотни и даже тысячи Гбайт).
Оптический принцип записи и считывания информации
Лазерные дисководы используют оптический принцип чтения информации.
В процессе записи информации на лазерные диски для создания участков поверхности с различными коэффициентами отражения применяются различные технологии: от простой штамповки до изменения отражающей способности участков поверхности диска с помощью мощного лазера. Информация на лазерном диске записывается на одну спиралевидную дорожку, содержащую чередующиеся участки с различной отражающей способностью
- Гибкие магнитные диски
- Жесткие магнитные диски
Жесткий магнитный диск представляет собой несколько десятков дисков, размещенных на одной оси, заключенных в металлический корпус и вращающихся с большой угловой скоростью.
Лазерные дисководы и диски
На лазерных CD – ROM и DVD – ROM дисках хранится информация, которая была записана на них в процессе изготовления. Запись на них новой информации невозможна.
Существуют CD – R и DVD – R диски, на них информация может быть записана, но только 1 раз. Для записи и перезаписи на диски используются CD – RW и DVD – RW дисководы.
Flash — память
Flash – память представляет собой микросхему, помещенную в миниатюрный корпус. Для считывания или записи информации карта памяти вставляется в специальные накопители, встроенные в мобильные устройства или подключаемые к компьютеру через USB – порт.
Флэш-диск.
Сканер
Принтер. Устройство, подключаемое к компьютеру и предназначенное для печати информации на твердый носитель, обычно на бумагу.
Самые распространенные типы принтеров — это струйные, лазерные и матричные..
