Архітектура комп’ютера. Принципи функціонування комп’ютера

Лекція на тему “Поняття про архітектуру та принципи функціонування комп’ютера”

Мета: Сформувати основні уявлення про архітектуру та принципи функціонування персо-нального комп’ютера.

1. Логічна структура комп’ютера

В 1945 р. Джон фон Нейман описав загальну логічну структуру комп’ютера. Дана структура була названа «архітектурою фон Неймана». Для ефективної роботи  будь-який су-часний комп’ютер повинен мати такі компоненти:

1)      арифметико-логічний пристрій;

2)      пристрій керування;

3)      пам’ять;

4)      пристрої введення-виведення інформації.

Логічну схему комп’ютера зображено на рис. 1 (суцільні лінії – керувальні зв’язки, перерив-часті – інформаційні).

Рис. 1. Логічна схема комп’ютера

Арифметико-логічний пристрій виконує арифметичні та логічні перетворення даних, які надходять до нього.

Пристрій керування автоматично керує процесом опрацювання інформації, надсилаючи всім іншим пристроям сигнали про виконання тих чи тих дій.

Сукупність арифметико-логічного пристрою та пристрою керування називають процесором.

Пам’ять зберігає інформацію, передану з одних пристроїв і видає інформацію іншим пристро-ям комп’ютера.

Пристрої введення і виведення служать для введення даних у машину та виведення резуль-татів.

Джон фон Нейман також відзначав, що комп’ютер повинен працювати з двійковими числами, бути електронним, а не механічним пристроєм, і виконувати операції послідовно одну за одною.

Принципи, сформульовані фон Нейманом, покладені в основу як комп’ютерів перших поко-лінь, так і сучасних комп’ютерів.

2. Апаратне і програмне забезпечення обчислювальної техніки та їх взаємодія

Будь-який комп’ютер у процесі роботи використовує два види забезпечення:

1)      апаратні компоненти (електронні пристрої);

2)      програми, які зберігаються або завантажуються в пам’ять.

Апаратні компоненти називають апаратним забезпеченням (hardware).

Програми називають програмним забезпеченням (software).

Апаратне і програмне забезпечення доповнюють одне одного. Програмне забезпечення вико-нує роль посередника між користувачем і комп’ютером, створюючи для користувача зручність взає-модії з ним.

Програми висувають певні вимоги до апаратних засобів комп’ютера (наприклад, вимоги до емності оперативної пам’яті та пам’яті на диску, наявності тих чи тих пристроїв введення-виведення).

В свою чергу, більшість апаратних засобів (наприклад, сканер чи звукова карта) потребують для своєї роботи наявності в пам’яті комп’ютера відповідних програм – драйверів пристроїв.

3. Історія створення персонального комп ютера

Комп’ютери перших двох поколінь працювали лише в строго заданих умовах і тому безпосередній доступ до них мав лише технічний персонал та оператори.

В середині 1960-х років з’явився режим поділу часу процесора між декількома користу-вачами. Також були створені мінікомп’ютери. Це дозволило одночасно декільком користува-чам мати безпосередній доступ до ресурсів комп’ютера та спільно використовувати програ-ми та дані.

Мініатюризація електронних компонентів і створення мікропроцесорів привели до якісно нового етапу в розвитку обчислювальної техніки – появи персональних комп’ютерів (ПК).

Перший ПК Altair-8800 з’явився в 1975 р. у США. Він був створений на фірмі MITS (Micro Instrumentation and Telemetry Sys­tems – мікроапаратура і системи телеметрії). Альтаїр-8800 був побудований на основі мікропроцесора Intel-8080, мав ємність пам’яті 256 байт. Він не мав ні клавіатури, ні дисплея. Користувачі вводили програми і дані в двійковій формі за допомогою перемикачів, результати зчитувалися також у двійкових кодах за допомогою лампочок (рис. 2).

Ці комп’ютери тривалий час не мали ніякого програмного забезпечення і їх купували здебільшого ентузіасти-програмісти. Одну з перших програм для ПК Альтаїр-8800 на мові Basic написали майбутні засновники фірми Microsoft Білл Гейтс і Поль Аллен.

Рис.2. Перший ПК Альтаїр-8800 (1975 р.)

Але, найбільший успіх на першому етапі масового поширення ПК мала компанія Apple, яку заснували Стів Джобс і Стефан Возняк. Їх перший ПК Apple не мав успіху. Але другий, на-званий Apple-2, який з’явився в 1977 р., мав величезний успіх. Цей комп’ютер мав систему ко-льорової графіки і забезпечив компанії в перший же рік рівень продажу 2,1 млн дол.

У 1981 р. на ринок вийшла фірма IBM, випустивши свій перший ПК – IBM PC (Personal Computer – персональний комп’ютер, рис. 3). Ця модель комп’ютера, a також моделі IBM PC XT (eXtended Technology – розширена технологія) і IBM PC AT (Advanced Technology – передова тсхнологія) поклали початок дійсно масовому використанню ПК.

Персональний комп’ютер IBM виявився таким пристроєм, який легко адаптується і здатний використовувати різноманітні апаратні й програмні засоби інших виробників. Цей приицип покла-дено в основу створення так званих ІВМ-сумісних ПК.

Рис. 3. Перша модель IBM PC (1981 р.)

Фірма IBM незабаром стала витіснятися іншими виробниками ПК, що пропонували ком-п’ютери кращої якості і за нижчою ціною. Ці комп’ютери назвали клонами (близнюками) комп’ю-терів IBM PC (ІВМ-сумісними ПК). Вони тепер складають вагому частку ринку ПК у світі, особливо для непрофесійного користувача, оскільки для цих ПК існують тисячі програм з найрізноманітніших галузей.

4. Поняття про архітектуру і принципи функціонування ПК

Розглянемо загальний вигляд типового ПК (рис. 4).

Рис. 4. Загальний вигляд типового ПК.

До складу типового ПК входять:

1)     системний блок;

2)     клавіатура;

3)     маніпулятор «миша»;

4)     монітор;

5)     звукові колонки;

6)     інші пристрої.

В системному блоці з розміщені:

1)     материнська плата – платформа, на якій розташовані основні електронні компо-ненти ПК;

2)     процесор – пристрій для керування роботою комп’ютера й опрацювання даних;

3)     пам’ять – пристрій для зберігання даних;

4)     інші пристрої;

Клавіатура і маніпулятор «миша» – це пристрої для введення даних.

Монітор і звукові колонки – це пристрої для виведення даних.

Роботу комп’ютера можна проілюструвати за допомогою схеми (рис. 5).

Пристрої введення даних надсилають дані та програми для їх опрацювання у пам’ять комп’ютера. З пам’яті дані надсилаються до процесора. Опрацювання даних в процесорі здійснює арифметико-логічний пристрій. Керує процесами опрацювання даних, їх збереженням і переда-ванням пристрій керування.

Рис. 5. Схема роботи комп’ютера

Пристрої виведення даних представляють результати опрацювання даних у вигляді, зруч-ному для користувача.

Дана схема описує логічну організацію роботи комп’ютера.

Архітектура комп’ютера – це  схема, яка описує логічну організацію його роботи.

Сучасна архітектура комп’ютерів базується на принципах Беббіджа і фон Неймана.

Принципи функціонування сучасних комп’ютерів:

1)      принцип двійкового кодування – всі дані подаються у вигляді двійкових кодів;

2)      принцип програмного керування – всі операції з опрацювання даних здійснюються відповідно до програм і ці програми розміщуються в пам’яті комп’ютера;

3)      принцип адресності – кожна комірка пам’яті має унікальне ім’я – адресу. Процесор може безпосередньо звернутись до даних, розміщених у будь-якій частині пам’яті;

4)      принцип однорідності пам’яті – всі дані, у тому числі й програми, зберігаються в одному і тому самому запам’ятовуючому пристрої;

5)      магістрально-модульний принцип – дані між окремими пристроями комп’ютера пере-даються по єдиній магістралі – системній шині. В системній шині виділяють три окремі шини: шина даних, шина адрес і шина керування. Комп’ютер складається з окремих блоків – модулів, кожний з яких виконує певні функції. Це дає змогу звести мо-дернізацію або ремонт комп’ютера до заміни окремих модулів.

Комп’ютери, які працюють на основі зазначених принципів, мають так звану фоннейма-нівську архітектуру.

Контрольні запитання

1.       Який вчений вперше описав загальну логічну структуру комп’ютера?

2.       Які основні компоненти комп’ютера визначено в архітектурі фон Неймана?

3.       Яку роль в архітектурі фон Неймана відіграє арифметико-логічний пристрій?

4.       Яку роль в архітектурі фон Неймана відіграє пристрій керування?

5.       Яку роль в архітектурі фон Неймана відіграє пам’ять?

6.       Які основні принципи функціонування комп’ютера були визначені фон Нейманом?

7.       Які два види забезпечення використовує у процесі роботи будь-який комп’ютер?

8.       Як називаються апаратні компоненти комп’ютера?

9.       Як називаються програми, які використовуються під час роботи комп’ютера?

10.   Яка взаємозалежність існує між апаратним і програмним забезпеченнями?

11.   В якому році був створений перший ПК?

12.   Як називався перший ПК?

13.   Назвіть засновників компанії Apple.

14.   Які перші ПК фірми Apple  ви можете назвати?

15.   В якому році фірма IBM випустила свій перший ПК?

16.   Яка назва першого ПК фірми IBM?

17.   Який принцип покладено в основу створення ІВМ-сумісних ПК?

18.   Що таке клони ІВМ-сумісних ПК?

19.   Назвіть основні пристрої типового ПК.

20.   Які пристрої розміщені в системному блоці?

21.   Яке призначення материнської плати?

22.   Яке призначення процесора?

23.   Яке призначення пам’яті?

24.   Яке призначення клавіатури і маніпулятора «миша»?

25.   Яке призначення монітора і звукових колонок?

26.   Що називається архітектурою комп’ютера?

27.   В чому полягає принцип двійкового кодування?

28.   В чому полягає принцип програмного керування?

29.   В чому полягає принцип адресності?

30.   В чому полягає принцип однорідності пам’яті?

31.   В чому полягає магістрально-модульний принцип будови комп’ютера?

Література

1.     Основи комп’ютерної техніки: Компоненти, системи, мережі: Навч. посіб. для студ. вищ. навч. закл./ С.О. Кравчук, В.О. Шонін. – К.: ІВЦ “Видавництво «Політехніка»: Видавництво «Каравела», 2005. – 344 с.

2.     Інформатика: 9 кл.: підруч. для загальноосвіт. навч. закл. / Й.Я. Ривкінд, Т.І. Лисенко, Л.А. Чернікова, В.В. Шакотько; за заг. ред. М.З. Згуровського.– К.: Генеза, 2009. – 296 с.