Информационный центр "Центральный Дом Знаний"
Онлайн всего: 1 Гостей: 1 Пользователей: 0
|
Основные принципы построения современных компьютеровСодержание ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ……………………............................ Введение …………………………………………………………...3 1. Фон-Неймановский принцип архитектуры современных компьютеров ……………………………………………………….4 2. Структура современных компьютеров …………………………6 Заключение ………………………………………………………...13 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ………………………..........................15 Задача ……………………………………………………………….15 Решение задачи с использованием Microsoft Excel 2002………….16 Задача ………………………………………………………………. Решение задачи с использованием СУБД Microsoft Access 2000...20-21 Список литературы ………………………………………………..27 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Введение Бурное развитие микроэлектроники, появление и постоянное совершенствований микроминиатюрных интегральных электронных элементов, пришедших на смену полупроводниковым диодам и транзисторам, создали основу для развития и широкого применения персональных компьютеров (ПК). Большую популярность ПК легко объяснить. Они компактны, не требуют специальных условий эксплуатации, дешевы, благодаря дружественному интерфейсу с пользователем не требуют специальной профессиональной подготовки при выполнении большей части работы. Компьютер представляет собой устройство способное исполнять четко определенную последовательность операций, предписанную программой. Понятие «компьютер» является более широким, чем «электронно-вычислительная машина» (ЭВМ), поскольку в ЭВМ явный акцент делается на вычисления. Персональный компьютер обычно в значительной степени ориентирован на интерактивное взаимодействие с одним пользователем, причем взаимодействие происходит через множество сред общения – от алфавитно-цифрового и графического диалога посредством дисплея, клавиатуры и мыши до устройств виртуальной реальности. Персональные компьютеры, появившиеся в 70-х годах, за короткое время претерпели много изменений, но базируются на тех же принципах, на которых уже полувека создаются ЭВМ. Разнообразие современных компьютеров очень велико, но в основу построения большинства разработок положены общие принципы, сформулированные американским ученым Джоном Фон Нейманом. Фон-Неймановский принцип архитектуры современных компьютеров В 1945 году Джорджем фон Нейманом была представлена архитектура вычислительных машин, которая имеет следующие признаки: Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются ее процессором автоматически друг за другом в последовательности, определяемой самой программой. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в каждой «ячейке» памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных «ячеек», обычно размером от 1 до 8 байт; процессору в произвольный момент времени доступна любая «ячейка». Это позволяет давать имена областям памяти, чтобы к ним можно было впоследствии обращаться. Компьютер состоит из блока управления, арифметико-логического устройства (АЛУ), памяти и устройств ввода-вывода. В ней реализуется концепция хранимой программы: программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Выполняемые действия определяются блоком управления и АЛУ, которые вместе являются основой центрального процессора. Центральный процессор выбирает и исполняет команды из памяти последовательно, адрес очередной команды задается «счетчиком адреса» в блоке управления. Этот принцип исполнения называется последовательной передачей управления. Данные, с которыми работает программа, могут включать переменные – именованные области памяти, в которых сохраняются значения с целью дальнейшего использования в программе. Рассмотрим классическую структуру вычислительной машины (рис.1), на основе которой уже более полувека создаются ЭВМ: Рис.1 Классическая структура ЭВМ АЛУ – арифметико-логическое устройство, ОЗУ – запоминающее устройство, УУ – устройство управления, Уввода – устройство ввода, Увывода – устройство вывода. АЛУ – арифметико-логическое устройство. Преобразует информацию, выполняя сложение, вычитание и основные логические операции «И», «ИЛИ», «НЕ». УУ – устройство управления. Организует процесс выполнения программ. ОЗУ – оперативное запоминающее устройство или оперативная память. Хранит данные, адреса и команды, обладает высокой скоростью записи и чтения чисел. Состоит из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные. Все ячейки памяти одинаково легко доступны для других устройств компьютера. Уввода – устройство для ввода исходных данных. Увывода – устройство для вывода результатов. Устройство управления инициирует работу устройства ввода, давая ему команду на выполнение операции ввода информации в запоминающее устройство ЭВМ. Оно, в свою очередь, указывает, из какого места запоминающего устройства необходимо передать информацию в арифметико-логическое устройство, какую операцию над этой информацией должно выполнить арифметико-логическое устройство, в какое место запоминающего устройства записать результат операции. Оно также инициирует работу устройства вывода для вывода результата из запоминающего устройства и выполняет ряд других функций. Современные компьютеры, базируясь на тех же принципах, имеют некоторые отличия, обусловленные развитием техники и служащие решению важных для пользователя задач. Фон-неймановская архитектура – не единственный вариант построения ЭВМ, есть и другие, которые не соответствуют указанным принципам (например, потоковые машины). Однако подавляющее большинство современных компьютеров основаны именно на указанных принципах, включая и сложные многопроцессорные комплексы, которые можно рассматривать как объединение фон-неймановских машин. Структура современных компьютеров Структурно современный ПК состоит из двух основных частей: центральной и периферийной. К центральной обычно относят центральный процессор и внутреннюю память. Центральным процессором (ЦП) – это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет памятью и координирует работу других устройств компьютера. Функции процессора: обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операции; управление работой устройств компьютера. Процессоры современных ПК выполняются в виде микропроцессора. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему – тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных сантиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. В состав микропроцессора входят АЛУ, устройство управления, внутренние регистры. Устройство управления вырабатывает управляющие сигналы для выполнения команд, АЛУ – арифметические и логические операции над данными. Оно может состоять из нескольких блоков, например блока обработки целых чисел и блока обработки чисел с плавающей точкой. В современных микропроцессорах в основу работы каждого блока положен принцип конвейера, который заключается в следующем: реализация каждой машинной команды разбивается на отдельные этапы (как правило, это выборка команды из памяти, декодирование, выполнение и запись результата). Выполнение следующей команды программы может быть начато до завершения предыдущей (например, пока первая команда выполняется, вторая может декодироваться, третья выбираться и т.д.). Таким образом, микропроцессор выполняет несколько следующих друг за другом команд программы, и время на выполнение блока команд уменьшается в несколько раз. Если в микропроцессоре имеется несколько блоков обработки, в основу работы которых положен принцип конвейера, то его архитектуру называют суперскалярной. Поскольку в программе могут встречаться команды передачи управления, выполнение которых зависит от результатов выполнения предшествующих команд, в современных микропроцессорах при использование конвейерной архитектуры предусматриваются механизмы предсказания переходов – так называемое «исполнение по предположению с изменением последовательности». Это означает, что если в очереди команд появилась команда условного перехода, предсказывается, какая команда будет выполняться следующей до определения признака перехода. Выбранная ветвь программы выполняется в конвейере, но запись результата осуществляется только после вычисления признака перехода в случае, если переход выбран верно. Если выбор ветви программы ошибочен, микропроцессору приходиться вернуться назад и выполнить правильные операции в соответствии с вычисленным признаком перехода. В составе микропроцессора может присутствовать кэш-память или сверхоперативная память – очень быстрая память небольшого объема, которая используется при обмене данными между микропроцессором и менее быстродействующей ОП для компенсации разницы в скорости обработки информации. У современных микропроцессоров может быть кэш-память первого уровня, которая обычно встроена в тот же кристалл и работает на одинаковой с микропроцессором частоте. Для некоторых микропроцессоров предусмотрена еще кэш-память второго уровня. Существуют два способа организации такой памяти: общая, когда команды и данные хранятся вместе, и разделенная, когда они хранятся в разных местах. Наличие разделенной кэш-памяти увеличивает производительность микропроцессора, сокращая среднее время доступа к используемым командам и данным. Микропроцессор обменивается информацией с внешними устройствами через системную шину. Еще одной характеристикой микропроцессора является соответствие его внутренней разрядности внешней шины. Емкость памяти, адресуемой микропроцессором, определяется разрядностью внешней шины адреса. Большинство задач, решаемых на ПК, не требуют сложных математических вычислений. Это относится к работе с текстовыми данными, сетевыми операционными системами. В других случаях – при решении сложных математических и физических задач, задач моделирования, для работы с трехмерной графикой, электронными таблицами, издательскими пакетами – важным параметром является скорость выполнения операций с плавающей точкой, на которые универсальные процессоры тратят достаточно много времени. Для таких задач в некоторых компьютерах предусмотрено использование специального устройства, называемого математическим сопроцессором (специализированная интегральная микросхема, работающая во взаимодействии с центральным процессором и предназначенная для выполнения математических операций с плавающей точкой). ЦП взаимодействует с внутренним ЗУ, называемым оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) или оперативной памятью (ОП). ОП предназначена для приема, хранения и выдачи информации (чисел, символов, команд, констант), т.е. всей информации, необходимой для выполнения операций в ЦП. Кроме оперативной памяти во всех компьютерах обычно имеется внутренняя постоянная память, используемая для хранения постоянных данных и программ. Оперативная память (ОП, англ. RAM – Random Access Memory – память с произвольным доступом) – это быстродействующее запоминающее устройство с прямым доступом процессора, которое предназначено для записи, считывания и временного хранения выполняемых программ и данных. Она ограничена по объему. ОП – электрическое устройство, и при выключении ПК все его содержимое пропадает. Для хранения больших объемов информации, которые не используются в данный момент времени процессором, предназначаются внешние запоминающие устройства (ВЗУ). К ним относятся: накопители на магнитных дисках; накопители на магнитных лентах; накопители на оптических и магнитооптических дисках. В современных ПК реализована виртуальная память, которая предоставляет пользователю возможность работы с расширенным пространством оперативной памяти. Виртуальная память представляет собой совокупность оперативной памяти и внешних запоминающих устройств, а также комплекса программно-аппаратных средств, обеспечивающих динамическую переадресацию данных, в результате чего пользователь не должен заботиться о том, где располагаются необходимые ему данные (в ОЗУ или ВЗУ), а функции по требуемому перемещению данных берет на себя вычислительная система. Совокупность ВЗУ и устройств ввода-вывода информации образует периферийную часть ЭВМ. Так как существует достаточно много разнообразных периферийных устройств, каждый ПК может быть укомплектован по-разному и иметь в своем составе те или иные периферийные устройства. Поэтому принято говорить о конфигурации ЭВМ, понимая под этим термином конкретный состав ее устройств с учетом их характеристик. Передача информации из периферийных устройств в центральные называется операцией ввода, а передача информации из центральных устройств в периферийные – операцией вывода. Производительность и эффективность использования ПК определяются не только возможностями его процессора и характеристиками ОП, но в большей степени составом его периферийных устройств, их техническими данными, а также способом организации их совместной работы с центральной частью ПК. Связь между устройствами ПК осуществляется с помощью сопряжений, которые в вычислительной технике называются интерфейсами. Интерфейс представляет собой совокупность стандартизованных аппаратных и программных средств, обеспечивающих обмен информацией между устройствами. В основе построения интерфейсов лежат унификация и стандартизация (использование единых способов кодирования данных, форматов данных, стандартизация соединительных элементов – разъемов и т.д.). Наличие стандартных интерфейсов позволяет унифицировать передачу информации между устройствами независимо от их особенностей. В настоящее время для разных классов ЭВМ применяются различные принципы построения системы ввода-вывода и структуры вычислительной машины. В персональном компьютере, как правило, используется структура с одним общим интерфейсом, называемым также системной шиной. При такой структуре все устройства компьютера обмениваются информацией и управляющими сигналами через системную шину. Физически она представляет собой систему функционально объединенных проводов, по которым передаются три потока данных: непосредственно информация, управляющие сигналы и адреса. Количество проводов в системной шине, предназначенных для передачи непосредственно информации, называется разрядностью шины. Разрядность шины определяет число битов информации, которые могут передаваться по шине одновременно. Количество проводов для передачи адресов или адресных линий определяет, какой объем оперативной памяти может быть адресован. Так как шина является общей для всех устройств компьютера, в нем предусмотрена система приоритетных прерываний, устанавливающая, какое из устройств системы займет шину в данный момент времени. Поэтому каждому устройству, подключенному к шине, присваивается свой приоритет. Рис.2 Шинная структура ПК; ЦП - центральный процессор, ОП – оперативная память, ПП – постоянная память, К – контроллер, ПУ – периферийное устройство. Внешние устройства подключаются к системной шине с помощью контроллеров или адаптеров, представляющих собой специальные платы, различные для разных типов внешних устройств: например, контроллер жестких дисков, контроллер последовательных и параллельных портов для подключения принтера, мыши, модема, видеоадаптер для подключения дисплея и другие. Контроллер – устройство управления соответствующим внешним устройством. Основное назначение синхронизация работы внешних устройств с внутренним оборудованием. Порты ввода-вывода реализуют ввод-вывод данных, различают последовательный порт, параллельный порт, инфракрасный порт. Последовательный порт передает информацию по одному биту. В ПК можно использовать до четырех последовательных портов – COM1, COM2, COM3, COM4. Через них подключаются такие устройства, как мышь, внешний модем и плоттер. Параллельный порт передает информацию побайтно. Максимально ПК может использовать три параллельных порта – LPT1, LPT2, LPT3. Они используются для подключения принтера, сканера и другие. Инфракрасные порты обеспечивают беспроводное взаимодействие устройств. Шина делится на три отдельные шины по типу передаваемой информации: Шина адреса предназначена для передачи адреса ячейки памяти или порта ввода-вывода. Ширина шины адреса определяет максимальное количество ячеек, которое она может напрямую адресовать; Шина данных предназначена для передачи команд и данных, и ширина во многом определяет информационную пропускную способность общей шины. В современных компьютерах ширина шины данных составляет 32-64; Шина управления включает в себя все линии, которые обеспечивают работу общей шины. Ее ширина зависит от типа шины и определяется алгоритмом ее работы или, как говорят, протоколом работы шины. Протокол работы шины состоит из нескольких циклов и выполняется контроллером шины, расположенным внутри процессора, или отдельным контроллером шины. В качестве запоминающих элементов оперативной памяти используются большие интегральные микросхемы. Наиболее важные характеристики памяти – ее емкость (объем хранимой информации) и время доступа. В современных компьютерах обычно используется оперативная память динамического типа, поэтому для повышения производительности системы используется кэш-память, время обращения к которой соизмеримо с тактом работы процессора. Блок данных, обрабатываемый процессором, размещается в кэш-памяти, а обращение к оперативной памяти происходит только тогда, когда нужные данные не содержатся в кэш-памяти. Таким образом, использование кэш-памяти дает возможность согласовать по скорости работу процессора и оперативной памяти на элементах динамического типа. В современных ПК имеется, как правило, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) (ROM - Read Only Memory) – энергозависимая память, использующаяся для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом «зашивается» в устройство при его изготовлении. Из ПЗУ можно только читать однажды занесенные в нее данные. Важнейшей функцией этой памяти является хранение BIOS (Basic Input Output System – базовая система ввода-вывода). ВIOS обеспечивает инвариантность программных средств к архитектуре системной платы и содержит необходимый набор программ ввода-вывода, обеспечивающих работу периферийных устройств. Также в ПЗУ содержится программа тестирования при включении компьютера POST (Power On Self-Test), программа начального загрузчика, выполняющего функцию загрузки оперативной системы с диска. Внешними называются устройства, обеспечивающие ввод, вывод и накопление информации в ПК и взаимодействующие с процессором и оперативной памятью через системную шину, а также через порты ввода-вывода. К ним относятся как устройства, находящиеся вне системного блока (клавиатура, мышь, монитор, принтер, сканер, внешний модем и другие), так и устройства, размещаемые внутри него (накопители на дисках, контроллеры устройств, внутренние факс-модемы и другие). Заключение Общие принципы построения и гибкость архитектуры вычислительных систем на базе ПК позволяют организациям и компаниям различных типов достаточно быстро и без больших финансовых затрат приспосабливаться к любым изменениям, сохраняя вложения в предыдущие технологии. Модель системы на базе ПК обеспечивает оптимальное сочетание производительности, стоимости и гибкости в рамках организаций разных типов. Новейшие программно-аппаратные средства позволяют работать быстрее, использовать новые виды информации: загружать информацию из сети Интернет, использовать мультимедийное оформление обрабатываемых данных, работать с бизнес-приложениями. Таким образом, для того, чтобы эффективнее использовать компьютер в работе, необходимо в общих чертах иметь представление об общих принципах построения современных компьютеров. ПРАКТИЧЕСКИЯ ЧАСТЬ Задача Используя ППП на ПК, необходимо рассчитать оптимальное сочетание цены и количества произведенного товара при максимальном значении получаемой прибыли путем задания переменных издержек на единицу товара (соотношения показателей заданы в шапке таблицы на рис.3). Наибольшую прибыль обеспечивают такие объемы выпуска и цена, при которых предельные издержки максимально приближены к предельной выручке или равны ей. Введите текущее значение даты между таблицей и ее названием. По данным таблицы постройте гистограмму с заголовком, названием осей координат и легендой.(......) |
Loading
|