Лабораторная работа №3
Тема: Устройства обработки информации
Цель работы: изучитьуправляющие устройства и принцип работы компьютера
I Теоретическая часть.
Процессор
Первый микропроцессор INTEL 4004 был создан в 1971году командой во главе с талантливым изобретателем, доктором Тедом Хоффом. Сегодня его имя стоит в ряду с именами величайших изобретателей всех времен и народов…
Сегодняшние процессоры от INTEL быстрее своего прародителя в более чем в десять тысяч раз! А любой домашний компьютер обладает мощностью и «сообразительностью» во много раз большей, чем компьютер, управлявший полётом космического корабля «Аполлон» к Луне.
На любом процессорном кристалле находятся:
1. Процессор - главное вычислительное устройство, выполняющее арифметические и логические операции.
2. Сопроцессор - специальный блок для операций с «плавающей точкой». Применяется для особо точных и сложных расчётов, а так же для работы с рядом графических программ.
Кэш-память первого уровня - небольшая (несколько десятков килобайт) сверхбыстрая память, предназначенная для хранения промежуточных результатов вычислений.
Кэш-память второго уровня - эта память чуть помедленнее, зато больше - от 128 кбайт до 2048 кбайт.
Все эти устройства размещаются на кристалле площадью не более 4-6 квадратных сантиметров. Микропроцессор состоит из крохотных элементов и соединяющих их металлических «дорожек», для изготовления которых используется медь. Их размер - десятые доли микрона! Сейчас большая часть процессоров производится по 0,09-микронной технологии. Существуют другие важные характеристики процессора, которые прямо связаны с возможностями и скоростью работы.
Основным устройством обработки информации в ЭВМ является арифметическо – логическое устройство (АЛУ). Его основой является электронная схема, составленная из большого числа транзисторов, называемая сумматором. Сумматором выполняются простейшие логические и арифметические операции над данными, представленными в виде двоичных кодов (нулей и единиц). К логическим операциям относятся:
· логическое умножение (операция " И "),
· логическое сложение (операция " ИЛИ ")
· логическое отрицание (операция " НЕ ").
Результатом логического умножения является 1, если все исходные данные равны 1, и 0, если хотя бы одно из них равно 0. Вспоминая, что 1 моделируется электрическим сигналом, а 0 - отсутствием сигнала, можно сказать, что на выходе устройства будет электрический сигнал тогда и только тогда, когда сигнал будет иметься на каждом входе:
Представьте себе, что подобное устройство осуществляет управление каким-либо процессом, например, пуском ракеты. От каждого исправного блока ракеты на устройство управления стартом должен прийти контрольный сигнал, и только в этом случае оно может выдать сигнал, разрешающий запуск.
Результатом логического сложения является 1, если хотя бы одна из составляющих равна 1 и 0, если все исходные данные равны нулю.
Результатом логического отрицания является 1, если на входе- 0, и 0, если на входе -1.
На основе этих трех операций можно производить арифметические действия над числами, представленными в виде нулей и единиц. Теоретической основой для этого являются законы, разработанные еще в 1847 году ирландским математиком Джорджем Булем, известные как Булева алгебра, в которой используются только два числа- 0 и 1. Ранее считалось, что эти работы Буля никому не нужны, и их автор подвергался насмешкам. Однако в 1938 году американский инженер Клод Шеннон положил Булеву алгебру в основу теории электрических и электронных переключательных схем- сумматоров, создание которых и привело к появлению ЭВМ, способных автоматически производить арифметические вычисления. Все остальные операции, производимые ЭВМ, сводятся к большому числу простейших арифметических и логических операций.
Принципы работы компьютера
В основе работы компьютера лежат следующие принципы:
1. Принцип двоичного кодирования: вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.
2. Принцип программного управления: программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
3. Принцип однородности памяти: программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
4. Принцип адресности: основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.
После выполнения одной команды устройство управления начинает выполнять команду из следующей ячейки памяти. Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему следует продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в некоторой другой ячейке памяти. Такой переход, в программе может выполняться не всегда, а только при выполнении некоторых условий. Это позволяет использовать одни и те же последовательности команд в программе много раз (т.е. организовывать циклы) и выполнять различные последовательности команд в зависимости от выполнения определенных условий.
Таким образом, управляющее устройство выполняет инструкции программы автоматически, т.е. без вмешательства человека. Оно может обмениваться информацией с оперативной памятью и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства, работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, управляющее устройство может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода-вывода с внешним устройством. Все результаты выполненной программы должны быть ею выведены на внешние устройства компьютера, после чего компьютер переходит к ожиданию каких-либо сигналов внешних устройств.
Весь "интеллект" компьютера заключается в программах, которые сводят самые сложные действия к большому числу таких простейших арифметических и логических операций. Производительность процессора определяется скоростью выполнения элементарных операций, т. е. тактовой частотой.
В современных ЭВМ арифметическо-логическое устройство и устройство управления объединены в один блок, который называется центральный процессор.
Центральный процессор - это главная микросхема ЭВМ, которая осуществляет операции по обработке информации и управляет работой остальных устройств ЭВМ.
Изобретателем микропроцессора как схемы, в которую собрана практически вся основная электроника компьютера, стала американская фирма INTEL, выпустившая в 1970 году процессор 8008. С их появления и началась история ЭВМ четвертого поколения.
По настоящее время фирма INTEL является лидером на мировом рынке в производстве и разработке новых типов процессоров.
Производство процессоров, в отличие от производства многих других компонентов компьютера - плат, корпусов, клавиатур и др. является чрезвычайно сложным и освоено только очень небольшим числом фирм-производителей. Однако все они, хоть и конкурируют с фирмой INTEL, ориентируются на ее продукцию. Например, фирма AMD выпускала процессор К5- более мощный и дешевый аналог процессора PENTIUM и процессор К6 - аналог PENTIUM II.
Сопроцессор - устройство, ускоряющее работу процессора при выполнении математических вычислений. Его наличие необязательно, но для работы ряда программ (графических или расчетных) он необходим.
Честь создания сопроцессоров также принадлежит фирме INTEL, однако многие сопроцессоры, произведенные другими фирмами, например CYRIX, оказывались производительнее и дешевле оригиналов- сопроцессоров фирмы INTEL. В последних моделях ЭВМ сопроцессор встраивается в процессор. Это, в частности, касается всех процессоров класса PENTIUM. Поэтому, в ближайшем будущем сопроцессор, как отдельное устройство, по-видимому, уйдет в историю.
II Составить краткий конспект теоретической части и ответить на вопросы:
1 на микропроцессорной интегральной схеме находятся:_________
2 устройство, выполняющее вычислительные операции с плавающей точкой _____________
3 устройство, управляющее работой ЭВМ и запускающее все другие программы _________
4 во время выполнения программа находится в ________
5 последовательность подробных и точных инструкций, записанная на понятном компьютеру языке ____________
6 основные блоки IBM PC ________________________
7 результатом логического сложения 1+0+1 будет число __
8 год создания микропроцессора INTEL ________
9 сколько бит содержится в выражении “VENI VIDI VIC”
10 какое высказывание верно:
a. монитор - устройство ввода
b. клавиатура – устройство ввода-вывода
c. CD ROM – устройство ввода
d. Принтер – устройство кодирования информации
e. Компьютер типа ноутбук – карманный калькулятор