Реферат по информатике. Архитектура, ОС, ПО. Реферат. Появление персональных компьютеров
 Скачать 212.25 Kb.
|
|
Мультиплексоры: На цифровом логическом уровне мультиплексор представляет собой схему с 2" входами, одним выходом и п линиями управления, которые выбирают один из входов. Выбранный вход соединяется с выходом. Мультиплексор может использоваться для выбора одного из нескольких входов и реализации таблицы истинности. Его также можно использовать в качестве преобразователя параллельного кода в последовательный Дешифраторы: схема, которая получает на входе n-битное число и использует его для того, чтобы выбрать (то есть установить на значение 1) одну из 2" выходных линий. Компараторы: компаратор сравнивает два слова, которые поступают на вход Микроархитектурный уровень (1) Над цифровым логическим уровнем находится микроархитектурный уровень. Его задача — интерпретация команд уровня 2 (уровня архитектуры команд), как показано на рисунке 1. Строение микроархитектурного уровня зависит от того, каков уровень архитектуры команд, а также от стоимости и предназначения компьютера. В идеале следовало бы сначала описать общие принципы разработки микроархитектурного уровня. К сожалению, таких общих принципов не существует. Каждая разработка индивидуальна. При разработке микроархитектурного уровня (как и при разработке других уровней) постоянно приходится идти на компромисс. У компьютера есть много важных характеристик: скорость, цена, надежность, простота использования, количество потребляемой энергии, физические размеры. При разработке центрального процессора очень важную роль играет выбор между высокой скоростью и низкой стоимостью. Существует три основных подхода, которые позволяют увеличить скорость выполнения операций: Сокращение количеств циклов, необходимых для выполнения команды Упрощение организации машины таким образом, чтобы можно было сделать цикл короче Выполнение нескольких операций одновременно. 11 Уровень архитектуры системы команд (2) Он расположен между микроархитектурным уровнем и уровнем операционной системы, как показано на рисунке 1. Исторически этот уровень развился прежде всех остальных уровней и изначально был единственным. В наши дни этот уровень очень часто называют «архитектурой» машины, а иногда «языком ассемблера». Является связующим звеном между программным и аппаратным обеспечением. Уровень операционной системы (3) Новые средства, появившиеся на третьем уровне, выполняются интерпретатором, который работает на втором уровне. Этот интерпретатор был когда-то назван операционной системой. Команды третьего уровня, идентичные командам второго уровня, выполняются микропрограммой или аппаратным обеспечением, но не операционной системой. Иными словами, одна часть команд третьего уровня интерпретируется операционной системой, а другая часть — микропрограммой. Вот почему этот уровень считается гибридным. Мы будем называть этот уровень уровнем операционной системы. Уровень языка ассемблера (4) Уровень языка ассемблера существенно отличается от трех предыдущих, поскольку он реализуется с помощью трансляции, а не с помощью интерпретации. Программы, которые преобразуют пользовательские программы, написанные на каком-либо определенном языке, в другой язык, называются трансляторами. Язык, на котором изначально написана программа, называется входным языком, а язык, на который транслируется эта программа, называется выходным языком. Входной язык и выходной язык определяют уровни. Программа на языке ассемблера должна не только определять, какие машинные команды нужно выполнить, но и содержать команды, которые должен выполнять сам ассемблер (например, потребовать от него определить местонахождение какой-либо сохраненной информации или выдать новую страницу листинга). Команды для ассемблера называются псевдокомандами или директивами ассемблера. Язык высокого уровня (5) Язык программирования высокого уровня — язык программирования, разработанный для быстроты и удобства использования программистом. Основная черта языков программирования высокого уровня — это абстракция, то есть введение смысловых конструкций, кратко описывающих такие структуры данных и операции над ними, описания которых на машинном коде (или другом низкоуровневом языке программирования) очень длинны и сложны для понимания. Так, языки программирования высокого уровня стремятся не только облегчить решение сложных программных задач, но и упростить портирование программного обеспечения. Использование разнообразных трансляторов и интерпретаторов обеспечивает связь программ, написанных при помощи языков высокого уровня, с различными операционными системами и оборудованием, в то время как их исходный код остаётся, в идеале, неизменным. 12 Виды архитектуры Различают два основных типа архитектуры – Фон Неймановскую (принстонскую) и гарвардскую. Архитектура Фон Неймана Широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана», однако, соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных. Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципы этого подхода: Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах. Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто. Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием. Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными. Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании. Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.  13 Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой. В соответствии с принципами фон Неймана компьютер состоит из арифметико-логического устройства — АЛУ (англ. ALU, Arithmetic and Logic Unit), выполняющего арифметические и логические операции; устройства управления, предназначенного для организации выполнения программ; запоминающих устройств (ЗУ), в т.ч. оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и внешнего запоминающего устройства (ВЗУ); внешних устройств для ввода-вывода данных. Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние ячейки памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных ячейках. У любой программы последняя команда должна быть командой завершения работы. Команда состоит из указания, какую операцию следует выполнить (из возможных операций на данном «железе») и адресов ячеек памяти, где хранятся данные, над которыми следует выполнить указанную операцию, а также адреса ячейки, куда следует записать результат (если его требуется сохранить в ЗУ). Из арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное различие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройства вывода (принтер, монитор и др.) поступают так, как удобно человеку. УУ управляет всеми частями компьютера. От управляющего устройства на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии. Управляющее устройство содержит специальный регистр (ячейку), который называется «счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство — «Регистр команд». УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера. В результате выполнения любой команды счетчик команд изменяется на единицу и, следовательно, указывает на следующую команду программы. Когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов, то специальная команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление. 14 Гарвардская архитектура  Гарвардская архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете с целью увеличить скорость выполнения вычислительных операций и оптимизировать работу памяти. Она характеризуется физическим разделением памяти команд (программ) и памяти данных. В ее оригинальном варианте использовался также отдельный стек для хранения содержимого программного счетчика, который обеспечивал возможности выполнения вложенных подпрограмм. Каждая память соединяется с процессором отдельной шиной, что позволяет одновременно с чтением-записью данных при выполнении текущей команды производить выборку и декодирование следующей команды. Благодаря такому разделению потоков команд и данных и совмещению операций их выборки реализуется более высокая производительность, чем при использовании Принстонской архитектуры. Недостатки Гарвардской архитектуры связаны с необходимостью проведения большего числа шин, а также с фиксированным объемом памяти, выделенной для команд и данных, назначение которой не может оперативно перераспределяться в соответствии с требованиями решаемой задачи. Поэтому приходится использовать память большего объема, коэффициент использования которой при решении разнообразных задач оказывается более низким, чем в системах с Принстонской архитектурой. Однако развитие микроэлектронной технологии позволило в значительной степени преодолеть указанные недостатки, поэтому Гарвардская архитектура широко применяется во внутренней структуре современных высокопроизводительных микропроцессоров, где используется отдельная кэш-память для хранения команд и данных. В то же время во внешней структуре большинства микропроцессорных систем реализуются принципы Принстонской архитектуры. 15 Устройства ввода и вывода данных Устройства ввода и вывода - устройства взаимодействия компьютера с внешним миром: с пользователями или другими компьютерами. Устройства ввода позволяют вводить информацию в компьютер для дальнейшего хранения и обработки, а устройства вывода - получать информацию из компьютера. Устройства ввода и вывода относятся к периферийным (дополнительным) устройствам. Периферийные устройства - это все устройства компьютера, за исключением процессора и внутренней памяти. Классификация периферийных устройств по месту расположения (относительного системного блока настольного компьютера или корпуса ноутбука): внутренние - находятся внутри системного блока\корпуса ноутбука: жесткий диск (винчестер), встроенный дисковод (привод дисков); внешние - подключаются к компьютеру через порты ввода-вывода: мышь, принтер и т.д. По другому определению, периферийными устройствами называют устройства, не входящие в системный блок компьютера. Устройства ввода и вывода разделяются на: устройства ввода, устройства вывода, устройства ввода-вывода. Устройства ввода данных Классификация по типу вводимой информации: устройства ввода текста: клавиатура; устройства ввода графической информации: сканер, цифровые фото- и видеокамера, веб камера - цифровая фото- или видеокамера маленького размера, которая делает фото или записывает видео в реальном времени для дальнейшей их передачи по сети Интернет; графический планшет (дигитайзер) - для ввода чертежей, графиков и планов с помощью специального карандаша, которым водят по экрану планшета; устройства ввода звука: микрофон; Устройства-манипуляторы (преобразуют движение руки в управляющую информацию для компьютера): несенсорные: мышь, трекбол - устройство в виде шарика, управляется вращением рукой; трекпойнт (Pointing stick) - джойстик очень маленького размера (5 мм) с шершавой вершиной, который расположен между клавишами клавиатуры, управляется нажатием пальца; игровые манипуляторы: джойстик, педаль, руль, танцевальная платформа, игровой пульт (геймпад, джойпад); 16 сенсорные: тачпад (сенсорный коврик) - прямоугольная площадка с двумя кнопками, управляется движением пальца и нажатием на кнопки, используется в ноутбуках, сенсорный экран - экран, который реагирует на прикосновение пальца или стилуса (палочка со специальным наконечником), используется в планшетных персональных компьютерах; световое перо - устройство в виде ручки, ввод данных прикосновением или проведением линий по экрану ЭЛТ-монитора (монитора на основе электронно-лучевой трубки). Сейчас световое перо не используется. Устройства вывода данных Классификация по типу выводимой информации: устройства вывода графической и текстовой информации: монитор - для вывода на дисплей (экран монитора), проектор - для вывода на большой экран, устройства для вывода на печать: принтер - для вывода информации на бумагу, а также на поверхность дисков; плоттер (графопостроитель) - для вывода векторных изображений (различных чертежей и схем) на бумаге, картоне, кальке; устройства вывода (воспроизведения) звука: наушники, колонки и акустические системы (динамик, усилитель), встроенный динамик (PC speaker; Beeper) - для подачи звукового сигнала в случае возникновения ошибки. Устройства ввода-вывода: жесткий диск (винчестер) (входящий в него дисковод) - для ввода-вывода информации на жесткие пластины жесткого диска; флэшка (флешка или USB-флеш-накопитель) - для ввода-вывода информации на микросхему памяти флэшки дисковод оптических дисков - для ввода-вывода информации на оптические диски, дисковод гибких дисков - для ввода-вывода информации на дискеты, кардридер - для ввода-вывода информации на карту памяти; многофункциональное устройство (МФУ) - копировальный аппарат с дополнительными функциями принтера (вывод данных) и сканера (ввод данных) модем (телефонный) - для связи компьютеров через телефонную сеть; сетевая плата (сетевая карта или сетвой адаптер) - для подключения персонального компьютера к сети и организации взаимодействия с другими устройствами сети (обмен информацией по сети). 17 Операционная система ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА – программа, управляющая аппаратными и программными средствами компьютера, которые предназначены для выполнения задач пользователя. Назначение и основные функции операционной системы. Операционная система – это комплекс взаимосвязанных системных программ, функциями которого является контроль использования и распределения ресурсов вычислительной системы и организация взаимодействия пользователя с компьютером. Операционная система (ОС) играет роль связующего звена между аппаратурой компьютера и выполняемыми программами, а также пользователем. Операционные системы, развиваясь вместе с ЭВМ, прошли длинный путь от простейших программ в машинных кодах размером всего в несколько мегабайт до современных, написанных на языках высокого уровня, размер которых исчисляется гигабайтами. Такой значительный рост размера операционных систем обусловлен, главным образом, стремлением разработчиков «украсить» операционную систему, расширить ее возможности, добавить возможности, изначально несвойственные операционным системам, а также сделать интерфейс пользователя интуитивным. Все эти попытки дали свои результаты, и положительные, и отрицательные. Главным результатом стало усложнение настройки и программного интерфейса при упрощении пользовательского. Основные функции: Выполнение по запросу программ тех достаточно элементарных (низкоуровневых) действий, которые являются общими для большинства программ и часто встречаются почти во всех программах (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.). Загрузка программ в оперативную память и их выполнение. Стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода). Управление оперативной памятью (распределение между процессами, организация виртуальной памяти). Управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жёсткий диск, оптические диски и др.), организованным в той или иной файловой системе. Обеспечение пользовательского интерфейса. Сетевые операции, поддержка стека сетевых протоколов. 18 |