Принципи побудови ЕОМ першого покоління

- інформаційної та  програмної сумісності, що дозволяє  виконувати наявні програми на різних моделях сімейства;

- високого рівня технічної  стандартизації, що виявляється  в єдиній для всіх машин  номенклатурі зовнішніх та інших  пристроїв;

- можливості організації  багато етапної роботи зі створенням  та удосконаленням ЕОМ.

Машини четвертого покоління будуються за принципами:

- багатопроцесорності,  що передбачає комутацію декількох  процесорів при роботі на загальну  пам’ять;

- організації віртуальної  пам’яті, що забезпечує практично  не обмежений об’єм адресного  простору ОЗП;

- широкого використання ВІС та НВІС і макромодульної структури, основою якої складає ідея побудови з великим стандартизованих блоків (макромодулів) функціонального гнучких обчислювальних систем;

- використання внутрішніх  мов високого рівня.

Машини п’ятого покоління  відрізняються:

- значним підвищенням  інтелектуального рівня процесорів;

подальшим розвитком  функції вводу-виводу графіки, зображень, документів, мови;

- можливості діалогової  обробки інформації за допомогою  природної мови;

навченістю, здібністю  до асоціативних побудов та отримання висновків.

Мови програмування  в процесі формування програм  можуть реалізувати безпосередній  інтерфейс між людиною і машиною. Це мови надвисокого рівня, котрі  забезпечують цю можливість:

- підтримання засобів  верифікації та підвищення загальної надійності програм;

- забезпеченням розумної  взаємодії користувачів з обчислювальною  системою на різному рівні  доступу до бази даних для  вибірки потрібної інформації  та до бази для отримання  нових представлень, необхідних  для вирішення незнайомих задач;

- використання існуючих  програмних фондів, орієнтованих  на традиційну архітектуру ЕОМ.

Спеціалізовані комп’ютери призначені для різкого підвищення продуктивності при вирішенні окремих  видів задач. Цього досягли на перших етапах за рахунок застосування паралельних обчислень. Пізніше з’явились машини, котрі базувалися на паралельному виконані різноманітних функцій, чи на дублюванні арифметичних пристроїв, зокрема процесорних матриць.

 

 

Структура комп’ютера запропонована фон Нейманом.

Перш за все, комп’ютер повинен мати наступні пристрої:

• арифметично-логічний пристрій, який виконує арифметичні і логічні операції;
• пристрій керування, який організує процес виконання програм;
• запам’ятовуючий пристрій, чи пам’ять для зберігання програм і даних;
• зовнішні пристрої для введення-виведення інформації.

Пам’ять комп’ютера повинна  складатися із деякої кількості пронумерованих комірок, в кожній із яких можуть знаходитися  чи дані, які обробляються, чи інструкції програм. Всі комірки пам’яті  повинні бути однаково легко доступні для інших пристроїв комп’ютера.

Зв’язки між пристроями комп’ютера наведені нижче (одинарні лінії показують  управляючі зв’язки, штрихові - інформаційні):

 

 

 

 

Рис. 1

 

 

 

 

 

 

 

 

Принципи роботи комп’ютера. Спочатку за допомогою, якого-небудь зовнішнього пристрою в пам’ять комп’ютера вводиться програма. Пристрій керування зчитує вміст комірки пам’яті, де знаходиться перша інструкція (команда) програми, і організовує її виконання. Ця команда може задавати виконання арифметичних і логічних операцій, читання із пам’яті даних для виконання арифметичних чи логічних операцій чи запис їх результатів в пам’ять, введення даних із зовнішнього пристрою в пам’ять чи виведення даних із пам’яті на зовнішній пристрій.

Як правило, після виконання  однієї команди пристрій керування починає виконувати команду із комірки пам’яті, яка знаходиться безпосередньо за тільки що виконаною командою. Але цей порядок може бути змінений за допомогою команд передачі керування (переходу). Ці команди вказують пристрою керування, що йому слідує продовжити виконання програми, починаючи з команди, яка розміщена в деякій іншій комірці пам’яті. Такий “стрибок”, чи перехід, в програмі може виконуватися не завжди, а тільки при виконанні деяких умов. Це дозволяє використовувати одну і ту послідовність команд в програмі багато разів (тобто організовувати цикли), виконувати різні послідовності команд в залежності від виконання певних умов і т. ін..

Універсальні  комп’ютери мають традиційну “фон Неймановську” архітектуру. Таку архітектуру  ще по-іншому називають скалярною.

Структура обчислювальної системи

Комп’ютер – це пристрій, призначений для створення, зберігання, обробки і передачі даних. Тобто, кожен комп’ютер – це деяка  обчислювальна система.

 Обчислювальна система  – це сукупність апаратних  і програмних засобів, якими характеризується окремий комп’ютер і які забезпечують автоматизацію обробки інформації.

 Кожен комп’ютер  являє собою сукупність апаратної  і програмної складових. 

 Апаратна частина  комп’ютера (hardware) - весь набір пристроїв,  з яких  складається комп’ютер.

 Щоб обладнання  могло працювати, необхідні ще  й програми.

 Програма – це  певні дії (команди), записані  в чітко визначеному порядку,  виконання яких забезпечує розв’язання  конкретного завдання.

 Отже, окрім набору  пристроїв, необхідно мати набір програм, що керують діями комп’ютера, тобто відповідне програмне забезпечення.

 Програмне забезпечення (software) – це набір програм, які  керують діями комп’ютера при  його використанні для розв’язування  задач.

 Комп’ютер складається  з блоків і вузлів. Кожен блок чи вузол служить для виконання спеціальної задачі.

Архітектура комп’ютера: зовнішні та внутрішні пристрої

Загальну схему будови сучасного комп’ютера запропонував в кінці 40-х р. ХХ ст. Американський  математик Джон Фон Нейман.

 Згідно цим принципам, апаратна частина кожного комп’ютера складається з таких основних частин:

-    запам’ятовуючого  пристрою або пам’яті, призначеного  для зберігання даних та програм,  що необхідні комп’ютеру для  роботи;

-    пристрою  управління,  який керує роботою комп’ютера та організує процес виконання програм

-    арифметико-логічного  пристрою, який виконує арифметичні  та логічні операції;

-    пристроїв  введення і виведення, призначених  для введення в комп’ютер даних  і програм і виведення результатів.

 Ця будова комп’ютера  є основою вже у чотирьох  поколіннях обчислювальної техніки.  Сучасні комп’ютери відповідають  принципам “відкритої” архітектури.

 Архітектура комп’ютера  – це загальний опис побудови  та функціонування комп’ютера, як  складної обчислювальної системи. Завдяки відкритій архітектурі ПК, користувачі можуть самостійно розширювати можливості своїх комп’ютерів і використовувати нові пристрої, під’єднуючи їх до ПК.

 Пристрої комп’ютера  бувають зовнішні і внутрішні. 

 Зовнішні пристрої (або зовнішня архітектура) комп’ютера – це ті пристрої, які людина бачить.

 Стандартна зовнішня  архітектура комп’ютера - зазвичай  комп’ютер складається з слідуючого  мінімального набору окремих  компонент:  системного блоку,  монітора, клавіатури, маніпулятора  “миша”. Крім основних пристроїв, до комп’ютера можуть підключатися додаткові (периферійні) пристрої, – принтер, акустичні колонки, сканер, модем та ін.

 Внутрішні пристрої (або внутрішня архітектура) –  це ті пристрої, які забезпечують  процеси обробки інформації, і розташовані в системному блоці.

 В системному блоці  розташовані материнська плата  з процесором і оперативною  пам’яттю, накопичувачі на жорстких  та гнучких магнітних дисках, СD-ROM і інші. Крім того, знаходиться  блок живлення. Всі ці компоненти  суттєво важливі для комп’ютера, без них він не може працювати. Тому даний блок і називається системним.

 Системний блок, як  правило, вміщує в себе слідуючі  вузли:

-    електронні  схеми, що керують роботою комп’ютера (мікропроцесор, пам’ять, системна  шина);

-    накопичувачі на жорстких та гнучких магнітних дисках,  на оптичних дисках СD-ROM;

-    блок живлення, що перетворює змінну  напругу  в мережі в низьку постійну  напругу, необхідну для роботи  електронних схем;

-    система вентиляції, що забезпечує необхідний температурний режим для мікропроцесора та інших електронних вузлів;

-    додаткові  вузли: дисковод для компакт-дисків, звукова карта, внутрішній модем   і т.д.

 На передній панелі  системного блоку є кнопки: Power (живлення), Reset (перезапуск) та НDD (сигналізує про роботу жорсткого диску). Обладнання, що знаходиться поза системним блоком, відноситься до зовнішніх пристроїв введення – виведення, вони під’єднуються до системного блоку за допомогою кабелів через відповідні роз’єми – порти на задній стінці системного блока. Однак до периферійних можна віднести і деякі пристрої всередині самого системного блоку – це накопичувачі.

Принципи функціонування комп’ютера

             Робота комп’ютера базується  на принципах Джона фон Неймана,  який виклав їх у 1949р. 

 До основних принципів  функціонування комп’ютерів відносяться 

1.    Принцип двійкового  кодування даних – вся інформація  в комп’ютері подається у вигляді  двійкових чисел.

2.    Програмний  принцип управління роботою комп’ютера  принцип адресності.

 Принцип адресності пам’яті означає те, що будь-яка інформація заноситься в пам’ять і дістається з неї за адресами.

 Принцип програмного  управління означає, що комп’ютер  працює під управлінням програми, яка зберігається в ОЗП. Цей  принцип базується на двійковому  представленні команд і даних і їх зберіганні в ієрархічно організованій пам’яті, виконанні всіх команд в єдиному АЛП.

3.        Магістрально-модульний принцип  будови комп’ютера

 Пристрої комп’ютера  під час роботи повинні взаємодіяти  між собою: передавати або приймати дані, одержувати і виконувати команди. Так як пристрої мають різну фізичну основу, то прямий обмін електричними сигналами між ними не можливий.

 Ця проблема вирішена  завдяки магістрально-модульному  принципу будови комп’ютера. Кожен  пристрій – це окремий модуль, якій під’єднується до спільної для всіх системної шини. По ній передаються керуючі сигнали і дані від одних пристроїв до інших.

 Словом “шина”  позначають пристрій для зв’язку  між собою декількох вузлів  комп’ютера.

 Магістраль (системна шина)  організовує зв’язок всіх вузлів (модулів) комп’ютера. Це набір електричних з’єднань – проводів, що з’єднують разом центральний процесор, системну пам’ять і периферійні пристрої.  Системна шина зв’язує в першу чергу, мікропроцесор з усіма вузлами комп’ютера. Крім цього, через системну шину – магістраль вузли зв’язуються між собою.

 Магістраль включає  в себе слідуючі три шини:

-    шина управління, яка служить для керування  зі сторони мікропроцесора усіма  системами і процесами, що відбуваються  в комп’ютері;

-    Шина адреси (адресна шина), за допомогою якої  відбувається вибір потрібної  комірки пам’яті, а також портів  введення / виведення;

-    Шина даних,  по якій інформація передається  від мікропроцесора до деякого  пристрою чи навпаки, від пристрою  до мікропроцесора.

 Магістрально-модульний  принцип будови полягає в тому, що окремі комп’ютер складається  з окремих модулів, обмін інформацією  між якими здійснюється через  системну шину.

 Модульний принцип  дозволяє міняти склад пристроїв  (модулів ) ПК. До інформаційної магістралі можуть підключатися додаткові периферійні пристрої, одні моделі пристроїв можуть замінюватися на інші. Можливе збільшення внутрішньої пам’яті, заміна мікропроцесора на більш досконалий. Підключення до комп’ютера зовнішніх пристроїв до магістралі здійснюється через спеціальний блок – контролер.

Поява і розвиток мікропроцесора і  персональних комп'ютерів

У 1970 р. був зроблений  перший важливий крок на шляху до персонального  комп'ютера - Маршиан Эдвард Хофф із фірми Intel сконструював ІС, аналогічну за своїми функціями центральному процесору великого комп'ютера.

Так з'явився перший мікропроцесор Intel-4004, що був випущений у продаж у 1971 р. Це був дійсний прорив, тому що мікропроцесор Intel-4004 розміром менш 3-х див був производительней гігантської машини ENIAC. Правда, можливості Intel-4004 були куди скромніше, ніж у центрального процесора великих комп'ютерів того часу - він працював набагато повільніше і міг обробляти одночасно тільки 4 біти інформації (на великих 16 чи 32 біта), але і коштував він у десятки тисяч разів дешевше. Але ріст продуктивності мікропроцесорів не змусив себе чекати. У 1973 р. фірма Intel випустила 8-бітовий процесор Intel-8008, а в 1974 р. - його удосконалену версію Intel-8080, що до кінця 70-х м.м. стала стандартом комп'ютерної індустрії.

Спочатку мікропроцесори використовувалися в різних спеціалізованих  пристроях, наприклад, у калькуляторах. Але в 1974 р. кілька фірм оголосили  про створення на основі мікропроцесора Intel-8080 персонального комп'ютера, тобто  пристрія, що виконує тієї ж функції, що і великий комп'ютер, але розрахованого на одного користувача. На початку 1975 р. з'явився перший комерційно розповсюджуваний персональний комп'ютер Альтаир-8800 на основі мікропроцесора Intel-8080. Цей комп'ютер продавався за ціною близько 500$. І хоча можливості його були дуже обмежені (оперативна пам'ять 256 байт, клавіатура і монітор були відсутні), його поява було зустрінуто з великим ентузіазмом: у перші ж місяці було продано кілька тисяч комплектів машин.