Основные принципы работы компьютера

Введение

Темой данного реферата является «Основные принципы работы компьютера».
В настоящее время компьютеры активно применяются во всех сферах жизни, и к 2016 году большинство людей ежедневно использует персональные компьютеры (ПК) в быту, на работе, учебе.
Как правило, пользователи используют в работе персональные компьютеры (ПК), поэтому в данном реферате будут рассмотрены именно они.
ПК применяются в различных видах деятельности даже очень далеких от информационных технологий: медицина, строительство, бухгалтерия, производство, образование, государственные услуги и т.д. Для автоматизации, коммуникации, хранения, обработки и передачи данных. Знание информационных технологий, структуры и функционального назначения компьютера, а также принципов его работы необходимо для эффективной работы на нем. Поэтому тема данного реферата является актуальной.
Современный компьютер – это система, построенная на базе электронных микросхем, и предназначенная для хранения, обработки и передачи любых видов информации [2, с. 46].
В последние годы все более широкое распространение получают ноутбуки и планшетные компьютеры.
Объектом исследования в данном реферате является персональный компьютер.
Предметом исследования в данном реферате являются основные принципы работы компьютера.
В реферате ставится цель: изучить принципы функционирования компьютера.
Для достижения цели ставятся задачи:
ввести основные понятия и определения;
изучить структуру современных компьютеров;
привести классификацию компьютеров;
исследовать принципы построения компьютера Фон Неймана (принцип программного управления, принцип однородности памяти, принцип адресности);
рассмотреть структуру компьютера Фон Неймана.
Исследование и разработка принципов для создания электронной вычислительной машины началось еще в XIX веке, когда английский математик и экономист Чарльз Бэббидж разработал свою «аналитическую машину», затем его исследования продолжили Ада Лавлейс и Г. Холлерит. Однако наиболее весомым вкладом для создания архитектуры ЭВМ стала работа Джона фон Неймана, сформулировавшего принципы построения компьютера, которые остаются актуальными и, по сей день.
Исследованием данной проблемы занимались различные авторы, как в России, так и за рубежом. При написании данного реферата были использованы учебные пособия А. С. Грошева, Н. В. Макаровой, В. Б Волкова, Б.Я. Цилькера и других авторов, а также интернет источники и статьи, посвященные архитектуре ЭВМ, принципам ее работы и истории создания, приведенные в списке литературы.
Реферат состоит из двух разделов с подразделами, первый раздел содержит информацию об устройстве современных компьютеров, второй раздел посвящен принципам функционирования ЭВМ.
1. КОМПЬЮТЕР И ЕГО УСТРОЙСТВО. КЛАССИФИКАЦИЯ СОВРЕМЕНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ
1.1. Компьютер, основные понятия и определения. Структура современных компьютеров и их компоненты
Первая глава посвящена рассмотрению объекта исследования – компьютера и его основных характеристик.
Компьютер – это электронно-вычислительная машина, выполняющая заданную последовательность операций, и предназначенная для хранения, обработки и передачи любых видов информации [1, 2].
Функционирование компьютера обусловлено двумя составляющими: физической (аппаратной) и программной. Аппаратная часть отвечает за технические характеристики вычислительной машины, а программы обеспечивают выполнение ее основных функций – решения задач, поставленных перед ЭВМ.
Программа – это упорядоченный набор команд [10].
Команда в свою очередь является описанием элементарной операции, которую должен выполнить компьютер.
Архитектура компьютера - это описание его организации и принципов функционирования его структурных элементов. Включает основные устройства ЭВМ и структуру связей между ними.
Традиционно, компьютер включает в себя четыре основных устройства, обеспечивающих его функционирование:
память (запоминающее устройство, ЗУ), состоящую из пронумерованных ячеек;
процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ);
устройство ввода;
устройство вывода.
Обобщенная схема компьютера, иллюстрирующая основные устройства и связи между ними, представлена на рисунке 1 [9].

Рисунок 1 Обобщенная схема компьютера

Устройство ввода предназначено для введения данных в ЭВМ, необходимых для решения задач.
Входная информация – это информация, которая представлена в символах входного алфавита. Она может быть числовой, текстовой, графической, звуковой, электрическими сигналами и т. д. Как правило, такая информация включает в себя программу и массив данных, необходимых для работы программы. Программа и данные представляются в памяти символами внутреннего алфавита, в виде чисел в двоичной системе счисления.
Устройство вывода предназначено для преобразования результатов решения задачи, которые представлены символами внутреннего алфавита, в выходную информацию, представленную символами выходного алфавита, и выводом информации пользователю. Выходные устройства бывают различных типов: отображающие, графические, печатающие и т.д. Тип устройства определяет вид выходной информации.
Память ЭВМ характеризуют следующие параметры: время обращения к памяти и её емкость.
Машинное слово – это основная структурная единица информации, обрабатываемая ЭВМ. Обычно одно машинное слово соответствует или одному числу, или одной команде. В современных компьютерах длина машинного слова, как правило, составляет от 2 до 4 байт.
Временем обращения называется интервал времени между началом и окончанием ввода или вывода информации в память или из памяти. Время обращения характеризует затраты времени на поиск места и запись слов в память, либо их чтение.
Емкостью памяти называется максимальное количество фиксированных единиц – машинных слов, которое может быть размещено в ЗУ.
Емкость памяти измеряется в байтах. Память – это сложная структура, построенная по иерархическому принципу, и включает в себя запоминающие устройства различных типов. Память функционально состоит из двух частей: внутренней и внешней.
Ячейка памяти – это независимо адресуемая часть памяти, содержимое которой выбирается за одно обращение [12].
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – это функциональная часть компьютера, которая выполняет логические и арифметические действия, требуемые для преобразования данных, хранящихся в памяти.
Арифметико-логическое устройство имеет следующие характеристики:
время выполнения элементарных операций;
среднее быстродействие (количество арифметических и логических операций, выполняемых в секунду);
набор элементарных действий, которые оно выполняет;
вид алфавита или системы счисления, в которой производятся действия (выбор системы счисления оказывает влияние на все технические характеристики устройства).
Устройством управления называется функциональная часть ЭВМ, которая предназначена для автоматического управления ходом вычислительного процесса и обеспечивающая взаимодействие всех частей ЭВМ в зависимости от программы решения задачи.
Рассмотрим обобщенную схему компонентов компьютера, представленную на рисунке 2 [13].

Рисунок 2 Обобщенная схема компонентов компьютера
Аппаратная часть компьютера состоит из следующих основных компонентов: материнской платы, центрального процессора (ЦП), системного контроллера, оперативной памяти (ОП). Кроме того, видеокарты, периферийного контроллера, периферийных устройств, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), жесткого диска и приводов [3].
Материнская плата – это важнейшая составляющая компьютера, на ней установлен ЦП, соединяемый с помощью специальных разъемов с модулями ОП, видеокартой, звуковой картой и другими устройствами. Связь с устройствами обеспечивают контроллеры: системный контроллер (северный мост), обеспечивает связь ЦП с оперативной памятью и графическим контроллером; периферийный контроллер (южный мост), отвечает за связь с контроллерами периферийных устройств и ПЗУ.
Системный и периферийный контроллер образуют чипсет материнской платы, представляющий собой базовый набор микросхем

. ОП – это энергозависимая память компьютера, которая хранит исполняемую программу и ее данные. Объем оперативной памяти влияет на производительность компьютера.
ПЗУ является энергонезависимой памятью компьютера, хранящей наиболее важную информацию, такую как программа первоначальной загрузки компьютера – BIOS (базовая система ввода-вывода).
Видеокарта является самостоятельной платой с процессором видеопамятью. Она предназначена для быстрого преобразования графической информации для вывода на экран. Её процессор предназначен непосредственно для работы с графикой. Частота обновления экрана и ширина цветового спектра зависит от объема видеопамяти.
Центральное процессорное устройство (ЦПУ) в настоящее время состоит из нескольких процессоров, которые параллельно остальным выполняют свои программы. Каждый процессор включает в себя несколько ядер.
Ядро микропроцессора включает в себя арифметико-логическое устройство, контроллер ядра и набор системных регистров. Регистры предназначены для хранения адреса текущей команды, адресов необходимых для выполнения команды данных и самих данных, а также результат выполнения команды.
Для организации хранения данных, с минимальным временем доступа предназначена кэш-память.
Таким образом, были рассмотрены основные определения, структура современного компьютера, обобщенная схема ее компоненты. В следующем подразделе будут рассмотрена классификация современных компьютеров.
1.2. Классификация современных компьютеров
Функционал компьютера напрямую зависит от его назначения, размеров и области применения, поэтому для понимания принципов работы компьютеров, необходимо рассмотреть их классификацию. Различают следующие критерии для классификации: принцип действия, размер, назначение и специализация.
Классификация ЭВМ по принципу действия
аналоговые компьютеры, работающие с данными, представленными в аналоговой (непрерывной) форме.
цифровые компьютеры, работающие с данными, представленными в цифровой (дискретной) форме.
гибридные компьютеры обрабатывают данные, представленные как в цифровой, так и в аналоговой форме и совмещают в себе их достоинства [9].
Среди приведенных выше типов компьютеров, в настоящее время применяются только цифровые.
По назначению различают следующие типы компьютеров:
универсальные компьютеры, предназначенные для решения множества различных задач: экономических, инженерно-технических, математических, информационных и др. Они отличаются применением сложных алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Такие компьютеры предназначены для вычислительных центров коллективного пользования и мощных вычислительных комплексов.
проблемно-ориентированные компьютеры, предназначенные для решения более узкого круга задач, таких как: управление технологическими объектами; регистрация, накопление и обработка относительно простых алгоритмов работы. Программные и аппаратные ресурсы таких ЭВМ ограниченны по сравнению с универсальными.
специализированные компьютеры, предназначенные для решения для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Достоинством таких ЭВМ является четкая специализация их структуры, достаточно низкая стоимость и сложность при высокой производительности и надежности их работы. Недостатком является невозможность применения данных компьютеров для других задач [7].
По размеру компьютеры разделяют на:
сверхбольшие (суперЭВМ);
большие (Mainframe);
малые;
сверхмалые (микроЭВМ).
Среди сверхмалых ЭВМ выделяют следующие типы:
персональные компьютеры;
многопользовательские микро ЭВМ;
рабочие станции;
серверы.
Персональные компьютеры: это компьютеры, которые могут использоваться одним человеком автономно, независимо от других компьютеров. Персональные компьютеры могут быть настольными(desktop), переносными(notebook), карманными (palmtop), а также устройства, сочетающие возможности карманных персональных компьютеров и устройств мобильной связи (РDА).
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.
Многопользовательские микро ЭВМ – это мощные компьютеры, содержащие несколько видеотерминалов и функционирующие в режиме разделения времени. Такая архитектура позволяет осуществлять эффективную работу сразу нескольких пользователей.
Рабочие станции (work station) – это мощные однопользовательские микро ЭВМ, которые специализированы для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и др.).
Серверы (server) – – это мощные многопользовательские микро ЭВМ, которые функционируют в вычислительных сетях, и выполняют обработку запросов от всех станций сети [7].
Существует множество различных классификаций компьютеров, в данном реферате были приведены наиболее значимые. Следует отметить, что такое разделение условно, так как современные персональные компьютеры, имея необходимое программное обеспечение, могут использоваться для решения различных задач, например, выполнять функции сервера или рабочей станции.
В первом разделе данного реферата были рассмотрены основные понятия, определения, структура и классификация современных компьютеров. История создания, архитектура и принципы работы будут исследованы во втором разделе реферата.

2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И СТРУКТУРА КОМПЬЮТЕРА ФОН НЕЙМАНА
2.1. Принципы построения компьютера фон Неймана
Подавляющее большинство современных компьютеров основывается на принципах построения и архитектуре электронных вычислительных машин, выведенных американским ученым-математиком Джоном фон Нейманом.
Основы архитектуры были заложены фон Нейманом в 1944 году при создании первого в мире лампового компьютера ЭНИАК. Разработка ЭВМ проводилась в Институте Мура в Пенсильванском Университете, при участии Джона Уильяма Мокли, Германа Голдстайна, Джона Экерта и Артура Бёркса, где у коллег зародилась идея разработки усовершенствованной машины, которой дали название EDVAC. Исследовательская работа над EDVAC продолжалась параллельно с конструированием ЭНИАК [5].
В 1946 фон Нейман, Бёркс и Голдстайн перевелись из Института Мура в Институт перспективных исследований, где приняли решение создать свою ЭВМ, под названием «IAS-машина», аналогичную EDVAC, и применять её в научно-исследовательской работе. В июне того же года ученые изложили собственные принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства»[5].
Выдвинутые в статье положения не теряют своей актуальности и сейчас, несмотря на то, что с тех пор прошло уже семьдесят лет. Авторы в своей статье предлагают применение двоичной системы счисления для представления чисел в памяти ЭВМ вместо десятичной. Фон Нейман и с коллегами смогли обосновать и продемонстрировать преимущества использования двоичной системы для представления чисел для технической реализации. Его удобство и легкость выполнения в ней арифметических и логических операций. Позднее компьютеры начали обрабатывать и нечисловые виды информации такие как: текстовая, графическая, звуковая и другие. Тем не менее, двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.
Таким образом, было выведено четыре основных принципа работы компьютера:
принцип программного управления;
принцип однородности памяти;
принцип адресности;
принцип двоичного кодирования.
Следует отметить, что не все исследователи выделяют принцип двоичного кодирования как отдельный, так как он входит в принцип программного управления.
2.1.1. Принцип программного управления
Первый принцип – принцип программного управления впервые был сформулирован Джоном фон Нейманом, при участии Гольцтайна и Берца в 1946 году. Он гласит, что программа представляет собой набор команд, выполняемых процессором автоматически в определенной последовательности.
Выбор программы из памяти реализуется при помощи счетчика команд