Тема: архітектура комп’ютера.
Мета — ознайомити з:
По завершенню вивчення матеріалу
учень
має уявлення про:
уміє: описувати за фон-нейманівською схемою принципи роботи сучасних комп’ютерів.
Обладнання й матеріали: ПК з встановленою ОС, (дана) інструкція.
Структура уроку
Хід уроку
1. Організаційний момент
Вітання з класом. Перевірка присутності і готовності учнів до уроку.
2. Актуалізація опорних знань
3. Вивчення нового матеріалу
Комп’ютер виконує чотири інформаційні процеси: введення, опрацювання, виведення і зберігання даних. Усі сучасні комп’ютери, незважаючи на різноманіття моделей, мають основні складові, що забезпечують виконання цих процесів.
Архітектура ПК — опис сукупності пристроїв та блоків ПК і зв’язків між ними.
Поняття архітектури тісно пов’язане з принципами роботи ПК. Ахітектура визначає принципи дії, інформаційні зв’язки і взаємодію основних складових ПК: процесора, внутрішньої і зовнішньої пам’яті та периферійних пристроїв. Уніфікація архітектури ПК забезпечує їх сумісність з точки зору користувача.
Принципи, згідно з якими функціонує більшість сучасних комп’ютерів, опубліковано в 1946 році американським математиком Джоном фон Нейманом (1903–1057).
Він також описав машину, яка може бути універсальним засобом обробки інформації.
Історія питання
У 30-х роках уряд США доручив Гарвардскому і Прінстонського університету розробити архітектуру ЕОМ для військово-морської артилерії. В кінці 1930-х років в Гарвардському університеті Говардом Ейкен була розроблена архітектура, названа по імені цього університету.
Але перемогла розробка Прінстонського університету, відома зараз як архітектура фон Ноймана, що була простішою в реалізації.
Основні складові фон-нейманівської машини такі: пристрій керування, арифметико-логічний пристрій (АЛП), пам’ять, система введення та система виведення даних.
Принципи роботи комп'ютера за фон Нойманом
За допомогою пристроїв введення дані і програми їх опрацювання потрапляють у пам’ять комп’ютера.
З пам’яті комп’ютера дані надсилають до процесора (англійською Central Processing Unit – CPU – модуль центрального процесора).
Арифметично-логічний пристрій здійснює опрацювання даних.
Пристрій керування керує процесами опрацювання даних, їх збереженням і передаванням.
Пристрої виведення даних здійснюють подання результатів опрацювання даних у виді, зручному для користувача.
Принципи функціонування сучасних комп’ютерів
Принцип двійкового кодування полягає у тому, що всі дані подають у вигляді двійкових кодів.
Принцип програмного керування полягає у тому, що всі операції з опрацюванням даних здійснюють відповідно до програм і ці програми розташовують у пам’яті комп’ютера.
Принцип адресності полягає у такій організації пам’яті комп’ютера, за якої процесор може безпосередньо звернутись до даних, розташованих у будь-який частині пам’яті. А кожна найменша частина пам’яті (комірка пам’яті) має унікальну назву – адресу.
Принцип однорідності пам’яті полягає у тому, що всі дані, у тому числі й програми, зберігають в одному і тому самому пристрої пам'яті.
З часом принципи побудови комп’ютера розвивали, їм надавали нового змісту, їх доповнювали. Під час розробки комп’ютерів у кінці 70-х років ХХ століття й особливо під час створення першого персонального комп’ютера корпорації IBM (IBM PC, 1981 р.), було сформульовано таке положення.
Магістрально-модульний принцип
Дані між окремими пристроями комп’ютера передають єдиною магістраллю — системною шиною, в якій виділяють три окремі шини: шину даних, шину вказівок і шину адрес;
Комп’ютер складається з окремих блоків — модулів, кожний з яких виконує певні функції.
Останнє дає змогу звести модернізацію або ремонт комп’ютера до заміни окремих модулів. Так, можна замінити процесор, блоки пам’яті, монітор на аналогічні або на пристрої з покращеними значеннями властивостей.
Виконання програми починають з того, що пристрій керування зчитує пам'ять комірки, у якій міститься перша вказівка програми, та організовує її виконання. Команда надходить до АЛП, який виконує певну операцію. Після виконання однієї вказівки пристрій управління (ПУ) починає виконання вказівки з наступної комірки памяті. Порядок комірок операційної системи, з яких відбувалося зчитування, визначається за допомогою вказівок ПУ. Тобто ПУ виконує програми автоматично, без втручання людини, в чому й полягає принцип програмного керування.
Вказівка (команда) — це опис (запис) (елементарної) операції, яку повинен виконати комп’ютер.
В загальному випадку, вказівка містить таку інформацію:
Центральний процесор розуміє і виконує лише визначену систему команд: ті коди, які вказують на виконання певних операцій. Будь-яка програму подають у вигляді послідовності таких кодів. Під час роботи програми центральний процесор в будь-який момент виконує одну з вказівок з дуже великою швидкістю. Також операційна система надає користувачу певний набір вказівок і відповідні їм відповіді, за допомогою яких можна керувати ЕОМ.
Введення
Клавіатура і миша — найпоширеніші пристрої для взаємодії з комп’ютером. Програмне забезпечення, що керує машиною, перетворює комбінації введених символів або як вказівки, які можна і потрібно виконати, або як дані, що підлягають опрацюванню. Прості програми можна ввести безпопередньо з клавіатури, але складніші й більші програми зазвичай завантажують в оперативну пам’ять за допомогою спеціального зовнішнього пристрою, яке передає до машини збережену на диску інформацію.
Опрацювання
У блоці центрального процесора пристрій керування пильнує за порядком виконання операцій. Арифметико-логічний пристрій виконує арифметичні і логічні операції. Активну програму розміщують в оперативній пам’яті комп’ютера, завдяки чому центральний процесор може вибирати вказівки послідовно, одну за одною. Програми, які завжди зберігають у сталій пам'яті, забезпечують початкову активацію комп’ютера і підтримують взаємодію процесора с пристроями введення-виведення.
Виведення
Монітор забезпечує відображення результатів опрацювання інформації. Зазвичай комп’ютер виводить на екран інформацію, яка надходить з клавіатури, а також свої відповіді. Принтер слугує для виведення інформації на папір. Інформацію можна виводити і електричними імпульсами.
Відміні ознаки Гарвардської архітектури ЕОМ
Ідея, реалізована Ейкеном, полягала у фізичному поділі ліній передачі вказівок і даних. У першому комп'ютері Ейкена Марк I для зберігання інструкцій використовували перфоровану стрічку, а для роботи з даними — електромеханічні регістри. Це дозволяло одночасно пересилати й опрацьовувати вказівки й дані, завдяки чому значно підвищувалася загальну швидкодію комп'ютера.
У Гарвардській архітектурі характеристики пристроїв пам'яті для інструкцій і пам'яті для даних не потрібно мати загальними. Зокрема, ширина слова, таймінги, технологія реалізації та структура адрес пам'яті можуть різнитися. У деяких системах інструкції можуть зберігати у пам'яті лише для читання, в той час як, для збереження даних зазвичай потрібно пам'ять з можливістю читання і запису. У деяких системах потрібно значно більше пам'яті для інструкцій, ніж пам'яті для даних, бо ці дані зазвичай можна підвантажити із зовнішньої або більш повільнішої пам'яті. Така потреба збільшує бітность (ширину) шини адреси пам'яті інструкцій у порівнянні з шиною адреси пам'яті даних.
У чистій архітектурі фон Неймана процесор одномоментно може:
Те й інше не може відбуватися одночасно, бо інструкції і дані використовують одну і ту ж системну шину. А в комп'ютері з використанням гарвардської архітектури процесор може читати інструкції та виконувати доступ до пам'яті даних в той же самий час, навіть без кеш-пам'яті. Таким чином, комп'ютер з гарвардської архітектурою може бути швидшим (при певної складності схеми), бо доставка інструкцій і доступ до даних не претендують на один і той же канал пам'яті.
Зауважимо: обчислювальна машина гарвардської архітектури має різні адресні простори для команд і даних. Наприклад, нульова адреса інструкцій — це не те саме, що і нульова адреса даних. Більше того, на ці адреси можуть відводити різну кількість бітів.
Ві́ктор Миха́йлович Глушко́в на конгресі IFIP (International Federation for Information Processing) виступив з доповіддю про рекурсивну ЕОМ (співавтори В.О. Мясников, М.Б. Ігнатьєв, В.О. Торгашев). Він висловив думку про те, що тільки розробка принципово нової нефонноймановської архітектури обчислювальних систем дозволить вирішити проблему створення суперЕОМ, продуктивність яких збільшується необмежено при нарощуванні апаратних засобів. Ідея побудови рекурсивної ЕОМ, підтриманої потужним математичним апаратом рекурсивних функцій, випередила свій час і залишилася нереалізованою через відсутність необхідної технічної бази.
В кінці 70-х років XX століття В. М. Глушков запропонував принцип макроконвеєрної архітектури ЕОМ з багатьма потоками команд і даних. За сучасною класифікацією — архітектура MIMD (англійською multiple instruction, multiple data — множинний потік команд, множинний потік даних). Розробку макроконвеєрної ЕОМ було виконано в Інституті кібернетики АН України під керівництвом В.М. Глушкова С.Б. Погребинським (головний конструктор), В.С. Михалевичем, О.А. Летичевським, І.М. Молчановим. Машина ЕС–2701 у 1984 р. і обчислювальна система ЕС–1766 у 1987 р. були передані в серійне виробництво на Пензенський завод ЕОМ. На той період це були найпотужніші в СРСР обчислювальні системи з номінальною потужністю понад 109оп./сек. При цьому у багатопроцесорній системі забезпечено майже лінійне зростання продуктивності під час нарощування обчислювальних ресурсів і динамічна реконфігурація. Вони не мали аналогів у світовій практиці і стали оригінальним напрямком розвитку високопродуктивних систем.
4. Закріплення вивченого матеріалу
Відповісти на питання:
5. Підбиття підсумків уроку
Виставлення оцінок.
6. Домашнє завдання
Повторити вивчений матеріал.
Текст упорядкувала Бернада Олена Василівна, вчитель інформатики СЗШ № 165 Голосіївського району міста Києва, під час виконання випускної роботи на курсах підвищення кваліфікації з 09.01.13 по 27.04.14.