1 Лекция 4 АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРА из 33

’ Паскалина • • 2 (1642) машина построена! зубчатые колеса десятичная система сложение и вычитание 8 -разрядных чисел из 33 Блез Паскаль (1623 -1662)

3 Машины Бэббиджа Разностная машина (1822) Аналитическая машина (1834) • «мельница» (автоматическое выполнение вычислений) • «склад» (хранение данных) • ввод данных и программы с перфокарт • ввод программы «на ходу» Чарльз Бэббидж (1791 -1871) Первая программа – вычисление чисел Бернулли ( «цикл» , «рабочая ячейка» , условные переходы) 1979 – язык программирования Ада Лавлейс (1815 -1852) из 33

ЭНИАК (1946) Electronic Numerical Integrator And Computer Дж. Моучли и П. Эккерт Первый компьютер общего назначения: • 18000 электронных ламп • длина 26 м, вес 35 тонн • 5000 сложений и 350 умножений в секунду • десятичная система счисления • 10 -разрядные числа из 33 4

Развитие элементной базы Первые компьютеры: электронно-вакуумные лампы 1947 г. , У. Шокли, Д. Бардин и У. Браттейн транзистор 1958 г. , Дж. Килби интегральная микросхема 1971 г. , М. Хофф микропроцессор Intel 4004 из 33 5

Персональные компьютеры Apple-I (1976 г. ) С. Джобс и С. Возняк с компьютером Apple-I (1976 г. ) IBM-5150 (1981 г. ) из 33 Commodore PET (1977 г. ) 6

I поколение ЭВМ (1945 – 1955) 7 • на электронных лампах • • быстродействие 10 -20 тыс. операций в секунду каждая машина имеет свой язык нет операционных систем ввод и вывод: перфоленты, перфокарты, магнитные ленты из 33

II поколение ЭВМ (1955 – 1965) • на полупроводниковых транзисторах (1948, Дж. Бардин, У. Брэттейн и У. Шокли) • 10 -200 тыс. операций в секунду • первые операционные системы • первые языки программирования: Фортран (1957), Алгол (1959) • средства хранения информации: магнитные барабаны, магнитные диски из 33 8

III поколение ЭВМ (1965 – 1975) • на интегральных микросхемах (1958, Дж. Килби) • семейства компьютеров с общей архитектурой • быстродействие до 1 млн. операций в секунду • оперативная памяти – сотни Кбайт • операционные системы – управление памятью, устройствами, временем процессора • языки программирования Бэйсик (1965), Паскаль (1970, Н. Вирт), Си (1972, Д. Ритчи) • совместимость программ из 33 9

IV поколение ЭВМ (после 1975) • компьютеры на больших и сверхбольших интегральных схемах (БИС, СБИС) • суперкомпьютеры • персональные компьютеры • появление пользователей-непрофессионалов, необходимость «дружественного» интерфейса • более 1 млрд. операций в секунду • оперативная памяти – до нескольких гигабайт • многопроцессорные системы • компьютерные сети • мультимедиа (графика, анимация, звук) из 33 10

IV поколение ЭВМ (после 1975) • персональные компьютеры • серверы, предоставляющие свои ресурсы (принтеры, файлы или программы) в коллективное пользование • параллельная обработка данных • многоядерные процессоры • суперкомпьютеры из 33 11

Компьютеры V поколения (проект) Япония, 1982 -1992 Цель – создание суперкомпьютера с функциями искусственного интеллекта • • • обработка знаний с помощью логических средств сверхбольшие базы данных использование параллельных вычислений распределенные вычисления голосовое общение с компьютером постепенная замена программных средств на аппаратные Проблемы: • • • идея саморазвития системы провалилась неверная оценка баланса программных и аппаратных средств традиционные компьютеры достигли большего ненадежность технологий израсходовано 50 млрд. йен из 33 12

Архитектура фон Неймана устройства ввода обрабатывает данные внутренняя память временное хранение данных во время обработки долговременное хранение данных процессор (АЛУ, УУ) устройства вывода внешняя память обеспечивает выполнение программы из 33 Джон фон Нейман (1903 -1957) 13

Принцип адресности памяти • оперативная память состоит из отдельных битов • группы соседних битов объединяется в ячейки • каждая ячейка имеет свой адрес (номер) • нумерация ячеек начинается с нуля • за один раз можно прочитать или записать только целую ячейку из 33 14

Что такое компьютерная память? Память — это устройство компьютера, которое используется для записи, хранения и выдачи по запросу команд программы и данных. • внутренняя или основная (для хранения программ и данных в момент решения задачи), ОЗУ и ПЗУ • внешняя или долговременная (… на длительный срок) из 33 15

Память с произвольным доступом RAM = Random Access Memory чтение данных из ячеек и запись в них в произвольном порядке • ОЗУ – оперативное запоминающее устройство (оперативная память) • ПЗУ – постоянное запоминающее устройство ROM = Read Only Memory ▫ содержит программное обеспечение для загрузки и тестирования компьютера ▫ запись запрещена из 33 16

Внутренняя память RAM = Random Access Memory, обращение к ячейкам в любом порядке. ОЗУ = оперативное запоминающее устройство 1)на электронно-лучевых трубках 2)на магнитных сердечниках сейчас: 1)на триггерах (статическая): регистры, кэш-память 2)на полупроводниковых конденсаторах (динамическая): большая ёмкость меньшая стоимость меньшее быстродействие потребляет больше электроэнергии из 33 17

Внутренняя память – ПЗУ = постоянное запоминающее устройство первые: информация заносится только на заводе затем программируемые ПЗУ затем перепрограммируемые ПЗУ (флэш-память) Минимальный набор программ: • тестирование компьютера • программа начальной загрузки • программы для обмена данными с клавиатурой, монитором, принтером В компьютерах IBM PC: BIOS = Basic Input/Output System из 33 18

Внешняя память — часть памяти компьютера, которая используется для долговременного хранения программ и данных. Устройства внешней памяти = накопители: • на магнитных дисках • на оптических дисках • флэш-память • … контроллер из 33 19

20 Иерархия памяти компьютер процессор регистры объем ОЗУ быстродействие, стоимость бита компьютерные сети ? Какая. Где расположить ОЗУ? ? память внутри процессора? из 33

Что такое устройство ввода? Устройством ввода называется устройство, которое: позволяет человеку отдавать компьютеру команды и/или выполняет первичное преобразование данных в форму, пригодную для хранения и обработки в компьютере. ? Что не относится к устройствам ввода? сенсорная панель флэш-диск (touchpad) сканер микрофон жесткий диск джойстик мышь графический планшет датчики сетевая карта из 33 21

Что такое устройства вывода? Устройства вывода — это устройства, которые представляют компьютерные данные в форме, доступной для восприятия человеком. ? Что не относится к устройствам вывода? сенсорный экран принтер жесткий диск монитор датчики флэш-диск колонки МФУ плоттер сетевая карта из 33 22

Мониторы Монитор = дисплей + электронные схемы управления жидкокристаллические (ЖК) электронно-лучевые • очень малое излучение • малые размеры и вес • потребляют мало электроэнергии (40 Вт) • нет искажений изображения из 33 23

Принтеры Принтер – устройство для вывода информации на бумагу или пленку. Разрешающая способность dpi = dots per inch, точки на дюйм обычно 300 – 600 dpi 1200 dpi (типографское качество) Виды принтеров • матричные (красящая лента) • струйные (чернила) • лазерные (порошок) • сублимационные (красящая лента) из 33 24

Матричные принтеры бумага красящая лента печатающая головка Качество печати: 72… 300 dpi текст: до 337 символов в минуту графика: до 5 мин на страницу!!! • дешевые принтеры и ленты • нетребовательны к бумаге • невысокое качество низкая скорость печати графики • шумят • черно-белые (почти все) из 33 25

Струйные принтеры цвет: CMYK Cyan Magenta Yellow Key color Качество печати: 300… 4800 dpi цвет: до 30 стр/мин • • фото 10 15: от 10 сек • требовательны к бумаге • дорогие катриджи • чернила расплываются от воды из 33 ч/б: до 30 стр/мин относительно дешевые качественная печать мало шумят большинство – цветные 26

27 Лазерные принтеры лазер чистящий элемент призма картридж с тонером нагретые валики фотобарабан бумага Качество печати: 600… 1200 dpi ч/б: до 50 стр/мин цвет: до 25 стр/мин • • становятся все дешевле очень качественная печать мало шумят есть цветные • • требовательны к бумаге дорогие катриджи потребляют много электроэнергии из 33 цветные дорогие

Обработка информации в компьютере • Сведение арифметических операций к простейшим логическим (которые реализуются аппаратно) • Логические функции: инверсия (НЕ), дизъюнкция (ИЛИ), конъюнкция (И) из 33 28

Таблицы истинности основных логических функций Функция "НЕ" Функция "ИЛИ" из 33 Функция " И " 29

Иллюстрация основных логических функций Функция "НЕ" Функция "И" из 33 30 Функция " ИЛИ "

Реализация сложения двоичных цифр Посмотрим, как реализуется на основе этих логических функций сложение двоичных цифр 0 и 1: 0 + 0 = 00, 0 + 1 = 01, 1 + 0 = 01, 1 + 1 = 10 (для единой записи результаты написаны в виде двузначных чисел) или в общем виде можно записать так: A + B = C 2 C 1. из 33 31

32 Схема двоичного сумматора из 33

33 Результаты сумматора • • 0 + 0 = 00 0 + 1 = 01 1 + 0 = 01 1 + 1 = 10 из 33