Принцип фон Неймана

Склад комп'ютера :

· Арифметично-логічний пристрій – виконує арифметичні і логічні операції.

· Пристрій керування -- організує процес виконання програм.

· Запам'ятовуючий пристрій — або пам'ять для збереження програм і даних.

· Зовнішні пристрої - для введення і виведення інформації.

Склад комп'ютера за принципом фон Неймана показаний на рис. 1.1.

Пам'ять комп'ютера повинна складатися з деякої кількості пронумерованих комірок, у кожній з яких можуть знаходитись або оброблятись дані чи інструкції до програм. Усі комірки пам'яті повинні бути однаково легко доступні для інших пристроїв комп'ютера.

 

 

Рис. 1.1. Принцип фон Неймана

 

1.4.2. Принципи роботи комп'ютера

Спочатку за допомогою будь-якого зовнішнього пристрою в пам'ять комп'ютера вводиться програма. Пристрій керування зчитує вміст комірки пам'яті, де знаходиться перша інструкція (команда) програми, і організується її виконання. Ця команда може задавати виконання арифметичних або логічних операцій або запис їхніх результатів у пам'ять, введення даних із зовнішнього пристрою в пам'ять або результат даних з пам'яті на зовнішній пристрій. Як правило, виконавши одну команду, пристрій керування починає виконувати команду з комірки пам'яті, що знаходиться безпосередньо за тільки що виконаною командою. Але цей порядок може бути змінений за допомогою команд передачі керування. Ці команди вказують пристроєві керування, що йому варто продовжити виконання програми, починаючи з команди, що утримується в деякій іншій комірці пам'яті. Такий « стрибок », або перехід, у програмі може виконуватися не завжди, а тільки за дотриманням деяких умов, наприклад, якщо деякі числа рівні, якщо в результаті попередньої арифметичної операції вийшов нуль і т.д. Це дозволяє використовувати ті самі послідовності команд у програмі багато разів, виконувати різні послідовності команд у залежності від отримання різних умов , тобто створювати складні програми.

Особливості сучасних комп'ютерів.

Арифметично - логічний пристрій і пристрій керування в сучасних комп'ютерах об'єднані в єдиний пристрій − центральний процесор. Крім того, процес виконання програм може перериватися для виконання невідкладних дій, пов'язаних із сигналами, що надійшли від зовнішніх пристроїв комп'ютера.

 

 

1.4.3. Поява персональних комп'ютерів

 

Комп'ютери 40-х і 50-х років були дуже громіздкими пристро-ями − величезні зали були заставлені шафами з електронним устаткуванням. Усе це коштувало дуже дорого, тому комп'ютери були доступні тільки великим компаніям і установам.

Перший крок до зменшення розмірів комп'ютерів став можливий з винаходом у 1948 р. транзисторів − мініатюрних приладів, що змогли замінити в комп'ютерах електронні лампи. До середини 60-х років з'явилися і більш компактні зовнішні пристрої для комп'ютерів, що дозволило випустити в 1965 р перший міні комп'ютер РDР – 8, розміром з холодильник вартістю 20 тис. доларів. Але на той час був підготовлений ще один крок до мініатюризації комп'ютерів − були винайдені інтегральні схеми. У 1968 р. фірма Вurroughs випустила перший комп'ютер на інтегральних схемах, а в 1970 р. фірма Intel почала продавати інтегральні схеми пам'яті. У тому ж році був зроблений ще один важливий крок на шляху до персонального комп'ютера − Маршиан Эдвард Хофф із тієї ж фірми Intel сконструював інтегральну схему, аналогічну за своїми функціями центральному процесорові великої ЕОМ. Так з'явився перший мікропроцесор Intel−4004, що був випущений у продаж наприкінці 1970 р. Звичайно, можливості Intel−4004 були куди скромніші, ніж у центрального процесора великої ЕОМ, він працював набагато повільніше і міг обробляти одночасно тільки 4 біти інформації (великі ЕОМ 16 або 32 біта). Але в 1973 р фірма Intel випустила 8-бітовий мікропроцесор Intel−8008, а в 1974 р. більш кращу версію Intel−8080.

Спочатку ці мікропроцесори використовувались тільки у різних спеціалізованих пристроях. Але в 1974 р. кілька фірм оголосили про створення на основі мікропроцесора Intel−8008 комп'ютера, тобто пристрою, що виконував ті ж функції, що і великі ЕОМ. На початку 1975 р. з'явився перший комп’ютер, що комерційно розповсюджувався, − Альтаір−8300, побудований на основі мікропроцесора Intel−8080. Цей комп'ютер, розроблений фірмою MITS, продавався за ціною близько 500 дол. Хоча можливості його були досить обмежені (оперативна пам'ять складала всього 256 байт, клавіатура й екран були відсутні), його появу було зустрінуто з великим ентузіазмом. У перші ж місяці було продано кілька тисяч комплектів машин. Наприкінці 1975 р. Пол Аллен і Білл Гейтс (майбутні засновники компанії Microsoft) створили для комп'ютера "Альтаір" інтерпретатор мови ВАSІС, що дозволило користувачам досить просто спілкуватися з комп'ютером і легко писати для нього програми. Успіх фірми МITS змусив багато фірм також зайнятися виробництвом персональних комп'ютерів. З'явилося і кілька журналів, присвячених персональним комп'ютерам. Комп'ютери вже стали продаватися в повній комплектації, із клавіатурою і монітором. Росту обсягу продажів сприяли численні корисні програми, розроблені для ділових застосувань. З'явилися і комерційно розповсюджувані програми, наприклад, програма для редагування текстів WordStar і табличний процесор VisiCalc (відповідно 1978 і 1979р.).

 

 

1.4.4. Поява IBM PC

Поширення персональних комп'ютерів у кінці 70-х років привело до деякого зниження попиту на великі ЕОМ і міні ЕОМ. Це стало предметом серйозного занепокоєння фірми IBM − провідної компанії по виробництву великих ЕОМ, і в 1979 р. фірма ІВМ вирішила спробувати свої сили на ринку персональних комп'ютерів. Однак керівництво фірми недооцінювало майбутню вагомість цього ринку і розглядало створення комп'ютерів усього лише як дрібний експеримент, як одну з десятків робіт, що проводились у фірмі по створенню нового обладнання. Щоб не витрачати на цей експеримент занадто багато грошей, керівництво фірми надало підрозділові, відповідальному за даний проект, небачену у фірмі свободу дій. Зокрема, їм було дозволено не конструювати персональний комп'ютер «з нуля», а використовувати блоки, виготовлені іншими фірмами і цей підрозділ сповна використав свій шанс. Насамперед, основним мікропроцесором комп'ютера був обраний новітній тоді 16- розрядний мікропроцесор Intel−8088. Його використання дозволило значно збільшити потенційні можливості комп'ютера, тому що новий мікропроцесор дозволяв працювати з 1 Мбт, а всі комп'ютери тоді були обмежені 64 Кбт. У комп'ютері були використані й інші комплектуючі різних фірм, а його програмне забезпечення було доручено розробити невеликій фірмі Microsoft.

У серпні 1981 р. новий комп'ютер за назвою ІВМ РС був офіційно представлений публіці, і незабаром після цього він отримав велику популярність у користувачів. Через один-два роки комп'ютер ІВМ РС зайняв основне місце на ринку, витиснувши моделі 8-бітових комп'ютерів. Фактично IВМ РС став стандартом персонального комп'ютера. Зараз такі комп'ютери становлять близько 90 % усіх вироблених у світі персональних комп'ютерів.

 

 

1.4.5. Принцип відкритої архітектури

Якби ІВМ РС був зроблений так само, як інші існуючі під час його появи комп'ютери, він би застарів через два-три роки, ми давно б уже про нього забули.

На щастя, в ІВМ РС була закладена можливість удосконалення його окремих частин і використання нових пристроїв. Фірма ІВМ забезпечила можливість його складання з незалежно виготовлених частин аналогічно дитячому конструкторові. При цьому методи сполучення пристроїв з комп'ютером IBM РС не тільки не трималися в секреті, але й були доступні всім бажаючим. Цей принцип називався принципом відкритої архітектури, поряд з іншими перевагами забезпечив приголомшливий успіх комп'ютерові ІВМ РС.

Як же улаштований цей «конструктор»? На основній електронній платі комп'ютера IBM PC (материнській платі) розміщені тільки ті блоки, що здійснюють обробку інформації. Схеми, що керують всіма іншими пристроями комп'ютера, − монітором, дисками, принтером, і т.д. реалізовані на окремих платах, що вставляються в стандартні розйоми на системній платі − слоти. До цієї електронної схеми підводиться електроживлення з єдиного блоку живлення, а для зручності і надійності все це знаходиться в спільному металевому або пластмасовому корпусі − системному блоці.

Очевидно, фірма IBM розраховувала, що відкритість архітектури IBM PC дозволить незалежним виробникам розробляти різні додаткові пристрої, що збільшить популярність комп'ютера. Так воно і сталося, і через один-два роки на ринку пропонувалися сотні різних пристроїв і комплектуючих для IBM PC.

Найбільшу вигоду від відкритості архітектури IBM PC отримали, природно, користувачі. Вони могли самостійно розширювати можливості своїх комп'ютерів, купуючи відповідні пристрої і приєднуючи їх у вільні розйоми на системній платі. При цьому вони не були зв'язані асортиментом моделей, пропонованих фірмою IBM, тому що могли купувати додаткові пристрої, вироблені незалежними фірмами.

 

 

1.4.6. Розвиток комп'ютерів IBM PC

Спочатку відкритість архітектури IBM PC була вигідна фірмі IBM. Вона забезпечила комерційний успіх комп'ютерові і дозволила фірмі порівняно легко випускати нові моделі, зберігаючи сумісність зі старими, щоб усі програми і всі пристрої, розроблені для старих моделей IBM PC, працювали і з новими, У 1983р. був випущений комп'ютер IBM PC XT, що має убудований твердий диск, у 1985 р. − комп'ютер IBM PC AT на основі нового мікропроцесора Intel−80286, працюючий у три-чотири рази швидше IBM PC XT.

Однак незабаром інші фірми перестали задовольнятися роллю виробників комплектуючих і почали самі збирати комп'ютери, сумісні з IBM PC. Вони переймали всі розробки фірми IBM, а за рахунок того, що їм не доводилося нести величезні витрати фірми IBM, вони змогли продавати свої комп'ютери значно дешевше. Більш того, ці фірми стали реалізовувати багато технічних досягнень швидше, ніж IBM. Так, перші комп'ютери на основі мікропроцесорів Intel−80386 були випущені вже не IBM. І незабаром IBM виявилася не монополістом у випуску розроблених нею комп'ютерів, а однієї із сотень конкуруючих фірм, кожна з яких прагне зробити комп'ютери швидше, продуктивніше, надійніше, і, природно, дешевше.

 

 

1.4.7. Характеристика різних поколінь ЕОМ

Усі етапи розвитку ЕОМ умовно ділять на покоління, які змінюють одне одного. Кожне покоління визначається сукупністю елементів, з яких будували обчислювальні машини, − елементною базою. Зміна елементної бази була причиною зміни параметрів устаткування, логічної організації і програмного забезпечення ЕОМ. З кожним новим поколінням збільшувалась швидкодія, зменшувались споживана потужність і маса ЕОМ, підвищувалась їх надійність. При цьому зростали "інтелектуальні" можливості машин – здатність "розуміти" людину і забезпечувати їй ефективні засоби для використання ЕОМ, можливість перевірки стану автоматизації введення програми.

ЕОМ першого покоління − це машини, основними деталями яких були електронні лампи. Ці машини розробляли до початку 60-х років. Вони мали порівняно невелику швидкодію, значні габарити і масу, споживали багато електроенергії, їх функціональні можливості були обмежені. Основний недолік машин першого покоління − низька надійність, зумовлена невисокою надійністю електронних ламп. Ця обставина гальмувала розширення можливостей машин, бо, щоб збільшити їх, треба було ускладнювати конструкцію машин і, отже, збільшувати кількість ламп.

Застосування напівпровідникових приладів дало можливість значно підвищити надійність ЕОМ, зменшити їх масу, габарити та споживану потужність. Напівпровідникові елементи – транзистори, були основою ЕОМ другого покоління.Ці ЕОМ порівняно з ЕОМ першого покоління мали великі обчислювальні можливості і швидкодію.

Вимоги надійності, компактності, технологічності сприяли створенню елементної бази ЕОМ − інтегральних мікросхем (ІМС). Їх виконують на кристалах кремнію. Ці машини містять усю сукупність напівпровідникових приладів (до кількох сотень), конденсаторів, резисторів і зв'язків між ними. З появою інтегральних схем почалися розробки ЕОМ третього покоління,які характеризуються розширеним набором різного устаткування для введення, виведення і зберігання інформації.

ЕОМ четвертого поколінняпочали розробляти в 80-х роках, їх елементна база − великі інтегральні схеми (ВІС), в яких на одній пластинці напівпровідника налічується кілька сотень тисяч елементів. Розміри ВІС не перевищують кількох сантиметрів. Застосування таких схем підвищує надійність ЕОМ і дає можливість збільшити їх швидкодію до кількох десятків мільйонів операцій за секунду. ЕОМ четвертого покоління − це потужні обчислювальні комплекси, об'єднані в єдині центри і з'єднані з численними абонентами сучасними лініями зв'язку.

ЕОМ п'ятого поколінняпочали розробляти в 90-х роках, їх елементна база основана на використанні мікропроцесорів.

В табл. 1.2. показано, як змінювалась ємність та швидкодія ЕОМ різних поколінь.

 

Таблиця 1.2

Ємність та швидкодія ЕОМ різних поколінь

Покоління	Роки	Швидкодія, к-ть операцій за секунду	Ємність, байт
І	1950-1960	103	103
ІІ	1960-1970	105	105
ІІІ	1970-1980	107	107
IV	1980-1990	109	109
V	1990-2000	1011	1011

 

Отже, сьогодні на службі в людини є надійний помічник, котрий може допомогти йому в плаванні інформаційними морями − це комп'ютер. Комп'ютер виконує складні обчислення, допомагає розв'язувати інженерні та економічні задачі. Щоб вручну відтворити його кількасекундну роботу, людині потрібні роки. Одержану інформацію можна записувати на магнітні або оптичні носії, де вона може зберігатися тривалий час. На таких носіях нагромаджують дані, наприклад, про результати переписів населення, про робітників і службовців підприємств, вміст книгосховищ бібліотек, архівів. За допомогою комп'ютерів нараховують зарплату, здійснюють банківські операції, контролюють виробничі процеси, лікують хворих, навчають студентів.

 

Питання для самоконтролю студентів

1. Поняття про інформацію.

2. Основні форми подання інформації.

3. Властивості інформації.

4. Кодування інформації.

5. Вимір кількості інформації.

6. Системи числення, додавання в різних системах числення.

7. Переведення числа з однієї системи числення в іншу.

8. Історія розвитку інформатики.

9. Історія розвитку ЕОМ.

10. Принцип фон Неймана.

11. Принципи роботи комп’ютера.

12. Поява ПК.

13. Принцип відкритої архітектури.

14. Характеристика різних поколінь ЕОМ.

 

2. Конфігурація комп’ютерної системи. Інформаційна система

2.1. Склад персонального комп'ютера

 

Комп’ютер – технічний засіб перетворення інформації, в основу роботи якого покладені принципи опрацювання електричних сигналів.

Основні етапи роботи комп’ютера:

1) вхідна інформація, подана будь-яким фізичним процесом, перетворюється в електричні сигнали;

2) блок опрацювання сигналів, побудований на електронних схемах, обробляє ці сигнали;

3) за допомогою перетворювача вихідних сигналів оброблені сигнали перетворяться в неелектричні сигнали будь-якої фізичної природи.

 

Персональний комп’ютер (ПК) складається з трьох основних частин, як показано на рис 2.1:

1) системного блока, в якому розміщені всі основні вузли (електронні схеми, центральний процесор, оперативна пам’ять, блок живлення, запам’ятовуючі пристрої тощо);

2) монітора, призначеного для зображення текстової та графічної інформації;

3) клавіатури, що дозволяє вводити символи в комп’ютер.

 

2 1

Рис. 2.1. Вигляд ПК

 

Під інформаційною системою розуміють сукупність двох складових − апаратної та програмної. Програмна складова (software) відображає мету використання системи та складає набір програмних засобів для управління апаратною частиною. Апаратна складова (hardware) вміщує комплект пристроїв, необхідних для реалізації можливостей відповідних програмних засобів.

Апаратна складова має деяку мінімальну конфігурацію, яку бажано мати незалежно від мети, що стоїть перед користувачем. Саме ці засоби ми розглянемо нижче.

Будь-який комп'ютер має такі основні блоки, пов'язані між собою:

Пристрої введення інформації−це двері, через які інформація потрапляє на обробку. Для різних видів інформації існують різні пристрої. Ось деякі з них: клавіатура для введення текстів, сканер, світлове перо та графічний планшет для сприймання довільних графічних зображень, мікрофон для введення звуку, джойстік та миша - маніпулятори для управління об'єктами на екрані.

Процесор- це основа ЕОМ. Він обробляє інформацію та керує роботою всіх інших пристроїв.

Пристрої виведення інформаціївидають користувачеві результати роботи. Вибір пристрою залежить від виду інформації. Для виведення звуку існують звукові адаптери зі звичайними гучномовцями, для виведення зображення існують дисплеї, принтер та плоттер. Пристрої введення-виведення ще інакше називають периферійними.

Пам'ятьпризначена для збереження введених даних, проміжних даних, та результатів обчислення. Крім того, в пам'яті зберігається програма, за якою працює комп'ютер, тобто інструкція узгодження роботи основних блоків комп'ютера та переміщення інформації.