Принцип двоичного кодирования фон неймана кратко

Введение

Персональные компьютеры все прочнее с каждым днем входят в нашу жизнь, а также занимают в ней не последнее место.

Каких-то 20 лет тому назад их можно было увидеть лишь в солидных организациях, а сегодня ПК стоит чуть ли не в каждом магазине, кафе, офисе, библиотеке.

На сегодняшний день персональные компьютеры в человеческой жизнедеятельности применяются во многих сферах – для создания научных сложных моделей, ведения бухгалтерского учета, разработки дизайна или создания музыки, поиска и хранения информации в специальных базах данных, обучения, прослушивания музыки.

Каждому человеку нужно знать сам компьютер, уметь пользоваться им. Далеко не каждый, который работает на персональном компьютере, представляет себе точный его состав.

Профессионалы, работающие вне IT-сферы, считают обязательной составляющей своей компетентности хорошие знание аппаратной части для персонального компьютера, или хотя бы его главных технических характеристик.

Также особенно велик интерес к персональным компьютерам среди молодежи, которая широко применяет их для своих личных целей.

Актуальность выбранной темы повязана с тем, что нынешний рынок компьютерной техники очень разнообразен и довольно не просто определять конфигурацию компьютера с требуемыми характеристиками. Поэтому без специальных знаний об истории развития вычислительной техники пользователям не обойтись.

Объектом исследования является аппаратная часть современных ПК.

Предмет исследования – устройство компьютера.

Целью реферата является изучение истории развития главных устройств современного персонального компьютера.

В соответствии с рассмотренной целью поставлены следующие задачи:

– рассмотреть историю создания компьютера;

– изучить предназначение главных этапов развития современного ПК;

– описать методы работы микропроцессора;

– рассмотреть вычислительные компоненты периферийных устройств ввода информации;

– дать характеристику вычислительным компонентам периферийных устройств вывода информации.

В разное время проблему аппаратной части ПК исследовали Н.Виннер, В.С. Королюк, Р.В. Малькович. Стоит отметить, что в нынешнее время составные части ПК постоянно усовершенствуются и ученые постоянно ищут новые подходы к оптимизации функционирования компонентов.

2.4. Четвертое поколение ЭВМ

В 1975 году председатель компании «Intel» Гордон Мур предположил, что число элементов на интегральных схемах должно удваиваться в каждые 18 месяцев.

Это правило далее известное как закон, применено к скорости работы микропроцессоров и не нарушалось до сих пор.

В 1969 году «Intel» выпустила важное для развития вычислительной техники устройство — микропроцессор. Он представляет собой интегральную схему, на которой размещалось обрабатывающее устройство с системой команд

Конструкция микропроцессора позволяла применять его для решений широкого круга задач, при этом создавая различные функциональные устройства.

В 1971 г. изготовлена большая интегральная схема, в которой полностью помещался процессор ЭВМ обычной архитектуры. Стали реальными возможности размещения в одной схеме (на одном кристалле) всех электронных устройств легких по архитектуре ЭВМ, то есть возможность серийного выпуска несложных ЭВМ. Появились дешевые и управляющие устройства, которые построены на одной и нескольких БИС и содержащих процессор, системы связи с датчиками и выполняющими органами в объекте управления.

Характерные свойства ЭВМ:

– Мультипроцессорность.

– Языки высокого уровня.

– Параллельно-последовательная обработка.

– Появляются первые сети ЭВМ.

Основные характеристики ЭВМ того времени:

– элементная база – большая интегральная схема;

– быстродействие – до 100 млн. операций в секунду;

– объем ОП – 64 Мб;

– устройства ввода-вывода – сети ПЭВМ;

– программное обеспечение – базы и банки данных.

Программы управления над подачей топлива в автомобиль, движением электронной игрушки, заданным режимом стирки вводились в память ПЭВМ либо при проектировании подобного контроллера, или непосредственно на предприятиях, что выпускают игрушки, автомобили, стиральные машины и прочее.

Архитектура фон Неймана;

архитектура микропроцессорных систем фон Неймана (одношинная, или принстонская, архитектура) представляет собой архитектуру с общей, единой шиной для данных и команд. Соответственно, в составе системы в этом случае присутствует одна общая память, как для данных, так и для команд (рис. 5.1).

Рис. 5.2. Архитектура с общей шиной данных и команд.

Но существует также и альтернативный тип архитектуры микропроцессорной системы – это архитектура с раздельными шинами данных и команд (двухшинная, или гарвардская, архитектура). Эта архитектура предполагает наличие в системе отдельной памяти для данных и отдельной памяти для команд (рис. 5.2). Обмен процессора с каждым из двух типов памяти происходит по своей шине.

Рис. 5.3. Архитектура с раздельными шинами данных и команд.

Архитектура с общей шиной распространена гораздо больше, она применяется, например, в персональных компьютерах и в сложных микрокомпьютерах. Архитектура с раздельными шинами применяется в основном в однокристальных микроконтроллерах.

Рассмотрим некоторые достоинства и недостатки обоих архитектурных решений.

Архитектура с общей шиной (принстонская, фон-неймановская) проще, она не требует от процессора одновременного обслуживания двух шин, контроля обмена по двум шинам сразу. Наличие единой памяти данных и команд позволяет гибко распределять ее объем между кодами данных и команд. Например, в некоторых случаях нужна большая и сложная программа, а данных в памяти надо хранить не слишком много. В других случаях, наоборот, программа требуется простая, но необходимы большие объемы хранимых данных. Перераспределение памяти не вызывает никаких проблем, главное – чтобы программа и данные вместе помещались в памяти системы. Как правило, в системах с такой архитектурой память бывает довольно большого объема (до десятков и сотен мегабайт). Это позволяет решать самые сложные задачи.

Архитектура с раздельными шинами данных и команд сложнее, она заставляет процессор работать одновременно с двумя потоками кодов, обслуживать обмен по двум шинам одновременно. Программа может размещаться только в памяти команд, данные – только в памяти данных. Такая узкая специализация ограничивает круг задач, решаемых системой, так как не дает возможности гибкого перераспределения памяти. Память данных и память команд в этом случае имеют не слишком большой объем, поэтому применение систем с данной архитектурой ограничивается обычно не слишком сложными задачами.

В чем же преимущество архитектуры с двумя шинами (гарвардской)? В первую очередь, в быстродействии.

Дело в том, что при единственной шине команд и данных процессор вынужден по одной этой шине принимать данные (из памяти или устройства ввода/вывода) и передавать данные (в память или в устройство ввода/вывода), а также читать команды из памяти. Естественно, одновременно эти пересылки кодов по магистрали происходить не могут, они должны производиться по очереди. Современные процессоры способны совместить во времени выполнение команд и проведение циклов обмена по системной шине. Использование конвейерных технологий и быстрой кэш-памяти позволяет им ускорить процесс взаимодействия со сравнительно медленной системной памятью. Повышение тактовой частоты и совершенствование структуры процессоров дают возможность сократить время выполнения команд. Но дальнейшее увеличение быстродействия системы возможно только при совмещении пересылки данных и чтения команд, то есть при переходе к архитектуре с двумя шинами.

В случае двухшинной архитектуры обмен по обеим шинам может быть независимым, параллельным во времени. Соответственно, структуры шин (количество разрядов кода адреса и кода данных, порядок и скорость обмена информацией и т.д.) могут быть выбраны оптимально для той задачи, которая решается каждой шиной. Поэтому при прочих равных условиях переход на двухшинную архитектуру ускоряет работу микропроцессорной системы, хотя и требует дополнительных затрат на аппаратуру, усложнения структуры процессора. Память данных в этом случае имеет свое распределение адресов, а память команд – свое.

Проще всего преимущества двухшинной архитектуры реализуются внутри одной микросхемы. В этом случае можно также существенно уменьшить влияние недостатков этой архитектуры. Поэтому основное ее применение – в микроконтроллерах, от которых не требуется решения слишком сложных задач, но зато необходимо максимальное быстродействие при заданной тактовой частоте.

Принципы фон Неймана

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.

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.

Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было хранимой в памяти программы) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) мог потребоваться далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться годы, однако они работают на миллионах компьютеров после несколько минутной установки на жесткий диск.

Как разрабатывалась архитектура фон Неймана

Первым в истории электронным компьютером был ENIAC, построенный в 1946 году в Пенсильванском университете США: огромное 30-тонное устройство, работавшее на 18 000 электронных ламп. Вычисления производились в десятичной системе, что сильно замедляло работу компьютера и приводило к перерасходу ламп.

ENIAC был не программируемой, а коммутируемой машиной — он управлялся с коммутационной панели. Чтобы задать программу, приходилось особым образом подсоединять провода: это могло продолжаться много часов и даже дней.

Создатели ENIAC Эккерт и Мокли видели его недостатки, поэтому ещё в 1943 году начали проектировать усовершенствованную модель электронного компьютера — да, в тот момент они даже не доделали ENIAC. Будущий компьютер назвали EDVAC (от англ. Electronic Discrete Variable Automatic Computer). Работа была строго засекречена.

Работая над EDVAC, Джон Эккерт впервые предложил идею программы, хранимой в памяти. Память EDVAC была выполнена на линиях задержки — особых трубках с ртутью, сохраняющих информацию. Данные кодировались в двоичной, а не в десятичной системе — это позволило сократить количество электронных ламп.

Спустя полтора года к Эккерту и Мокли в качестве научного консультанта присоединился Джон фон Нейман — известный математик и участник Манхэттенского проекта. Он сразу увидел перспективность новой ЭВМ и помог выбить финансирование у армии США.

Учёные были обязаны регулярно отчитываться перед военными о проделанной работе. Фон Нейман подготовил «Предварительный доклад о машине EDVAC», в котором описал её основные элементы и логику работы. Он отправил отчёт военному куратору Голдстайну, и тот был впечатлён глубиной идей и ясностью изложения основных концепций. Наплевав на секретность, он перепечатал и разослал отчёт европейским и американским учёным без ведома Эккерта и Мокли, а на титульном листе в качестве автора указал только фон Неймана.

Отчёт произвёл эффект разорвавшейся бомбы. А так как фон Неймана знали в научном мире, никто не сомневался, что он и был единственным автором документа. Так описанную в отчёте структуру ЭВМ назвали архитектурой фон Неймана.

Эккерт и Мокли были возмущены действиями Голдстайна — сами они из-за секретности не могли публиковать материалы о своей работе. Создатели EDVAC не сомневались, что их машина будет очень полезной для всего мира, а потому опасались, что им не дадут оформить патент на изобретение.

2.1. Первое поколение ЭВМ

Развитие вычислительной техники на современном периоде принято различать с точки зрения изменения поколений компьютеров. Каждое из поколений компьютеров в начальный свой момент развития характеризуется скачком в росте главных характеристик компьютера, которые вызваны обычно переходом на принципиально новую элементную базу, относительной стабильностью логических и архитектурных решений.

Разбиение поколений персональных компьютеров по годам очень условно. В это время, как началось активное применение компьютеров одного поколения, были созданы посылки для появления следующего.

Поколения	Период
1	1948 – 1958
2	1959 – 1967
3	1968 – 1973
4	1974 – 1982
5	1983 – наше время

Таблица 1. Хронология поколений ЭВМ

С началом 2-й мировой войны правительства стран начали разрабатывать специальные вычислительные машины, осознавая стратегическую их роль во ведении войны.

Увеличение для этого финансирования очень стимулировало развитие вычислительной и компьютерной техники. В 1940-е годы немецкие ученые и инженеры создали принципы построения электронных вычислительных машин на базе уже работавших табуляторов Холлерита, механических арифмометров.

Основными характеристиками были:

– элементная база – электронные лампы;

– быстродействие – 10-20 тыс. операций в секунду;

– объем ОЗУ – 2 Кб;

– устройства ввода-вывода – перфокарты;

– программное обеспечение – машинные коды.

Например, в 1940 г. была запущена первая электронная вычислительная машина под названием Z1, созданная инженером Конрадом Цузе, а в следующем году — значительно усовершенствованная Z2, выполнявшая расчеты, нужные при проектировании самолетов, баллистических ракет Брауна, а также пользовавшаяся для вычисления массы ядерной реакции для распада смеси урана 235 и 238, обогащением которой занималась немецкая промышленность (рис. 9).

Рис. . Вычислительная машина Z2

В 1946 году ученые Дж. Мокли и Дж. Преспер сконструировали электронный вычислительный калькулятор и интегратор (ЭНИАК) — компьютер, где электромеханические реле заменены на электронные лампы.

Рис. . Машина ЭНИАК

Применение ламп позволило увеличивать скорость работы ЭНИАК почти в 1000 раз (рис. 10).

Ранние вычислительные машины выполняли только команды, поступающие поочередно. Хотя применение перфокарт позволяло упростить ввод команд.

Список используемых источников

Аногилев Н.И. Информатика, Учебник для ВУЗов – М.: Издательство Academa, 2015. — 268 с.

Бойс Д. Осваиваем ПК. Русская версия. М.: Издательство Academa, 2015.-320 с.

Денисов А. Аппаратное обеспечение ПК. – Спб: Питер, 2012. — 461 с.

Евдокимов В.В. и др. Состав ПК. Учебник для вузов. Под ред. д. э. н., проф. В.В. Евдокимова. СПб.: Питер паблишинг, 2016.-382 с.

Информатика. Базовый курс. Учебник для Вузов/под ред. С.В. Симоновича, — СПб.: Питер, 2013.-142 с.

Информатика: Учебник/под ред. Н.В. Макаровой. — М.: Финансы и статистика, 2014. — 768 с.

Основы современных компьютерных технологий. Ред. Хомченко А.Д. Симонович С. В., Евсеев Г.А., Практическая информатика, Учебное пособие. М.: АСТпресс, 2014.-400 с.

Симонович С.В. Специальная информатика, Учебное пособие. М.: АСТпресс, 2015.-310 с.

Схемотехника/ Под ред. Н.В. Макаровой. — М.: Финансы и статистика, 2013.-200 с.

Фигурнов В. Э. IBM PC для пользователя. М.: Инфра-М, 2013.-410 с.

Шкаев А.В. Руководство по работе на персональном компьютере. Справочник. М.: Радио и связь, 2014.-210 с.

Шпарин В.А. Устройство ЭВМ. М.: Наука, 2015.-356 с.

«Повышения производительности труда в компании: совершенствование мотивации работников»
Формирование компетентностного портрета руководителя производственного предприятия (Сущность и определение понятий «профессиональная компетенция» и «компетентность»)
«Авторитет и лидерство в системе менеджмента»
Учет труда и заработной платы (Организация учета оплаты труда)
Учет труда и заработной платы (Понятие «оплата труда» и сущность учета заработной платы)
Анализ денежных средств ООО «Урожай» (Денежные средства, их роль в платежеспособности организации, задачи и источники анализа)
«Устройство персонального компьютера»
Особенности политики мотивации персонала малых предприятий (Теория мотивации)
Страховые пособия по беременности и родам (Основные понятия и общая характеристика «декретного отпуска»)
Анализ структуры торгового ассортимента. (на примере торгового предприятия
История развития менеджмента (Развития менеджмента в России)
Анализ конкурентов на рынке и определение собственной конкурентоспособности (Понятие конкуренции и конкурентоспособности предприятия в экономике)

2.5 Принцип условного перехода.

Команды
из программы не всегда выполняются
одна за другой. Возможно присутствие
в программе команд условного перехода,
которые изменяют последовательность
выполнения команд в зависимости от значений
данных.

Компьютеры,
построенные на этих принципах, относят
к типу фоннеймановских.

3.
Компьютеры построенные
на принципах Фон
Неймана

В середине 1940-х проект компьютера, хранящего
свои программы в общей памяти был разработан
в Школе электрических разработок Мура
в Университете штата Пенсильвания. Подход,
описанный в этом документе, стал известен
как архитектура фон Неймана, по имени
единственного из названных авторов проекта
Джона фон Неймана, хотя на самом деле
авторство проекта было коллективным.
Архитектура фон Неймана решала проблемы,
свойственные компьютеру «ЭНИАК», который
создавался в то время, за счёт хранения
программы компьютера в его собственной
памяти. Информация о проекте стала доступна
другим исследователям вскоре после того,
как в 1946 году было объявлено о создании
«Эниака». По плану предполагалось осуществить
проект силами Муровской школы в машине
EDVAC, однако до 1951 года EDVAC не был запущен
из-за технических трудностей в создании
надёжной компьютерной памяти. Другие
научно-исследовательские институты,
получившие копии проекта, сумели решить
эти проблемы гораздо раньше группы разработчиков
из Муровской школы и реализовали их в
собственных компьютерных системах. Первыми
пятью компьютерами, в которых были реализованы
основные особенности архитектуры фон
Неймана (таблица 1), были:

Манчестерский
Марк I. Прототип — Манчестерская малая
экспериментальная машина. Университет
Манчестера (англ. The University of Manchester), Великобритания,
21 июня 1948 года;
EDSAC. Кембриджский
университет (англ. The Cambridge University), Великобритания,
6 мая 1949 года;
BINAC. США,
апрель или август 1949 года;
CSIR Mk 1.
Австралия, ноябрь 1949 года;
SEAC. США,
9 мая 1950 года.

Таблица
1. Первые пять компьютеров основанные
на принципах фон Неймана.

Название компьютера	Место создания	Год создания
Манчестерский Марк I.	Великобритания	1948
EDSAC	Великобритания	1949
BINAC	США	1949
CSIR Mk 1	Австралия	1949
SEAC	США	1950

Список
использованной литературы:

Киреева Г.И.,
Курушин В.Д, Основы информационных
технологий: учебное посоьие. – М.:ДМК
Пресс, 2009г.
Уринович
Н.Д. Учебное пособие / 4-е издание – М.:
Бином, 2007г.
Юрий Полунов.
Статья в журнале PC Week/Russian Edition. -2006. — №
13

Рецензия
преподавателя:

Заключение

Фон Нейман привнес неоценимые новшества в создание машин электронного класса. Благодаря придуманной им схеме, улучшенный калькулятор (каковым являлся ЭНИАК) превратился со временем в инструмент обработки любой информации. При этом их «железный» состав изменился слабо. Электронные лампы, например, заменили на полупроводники.

УУ и АЛУ скомпоновали в моноблочный центральный процессор. Значительные качественные изменения претерпело ОЗУ. Возрос объем. Гораздо удобней стали аппараты ввода и вывода. Но принципиальных подвижек пока нет.

С другой стороны, заслуги представляются несколько преувеличенными. Основы «принципов» рождались в результате дискуссий с коллегами. Но в опубликованных итогах оказалась одна фамилия. Но безусловна роль фон Неймана как систематизатора. А на титул первооткрывателя он и не претендовал.

3.2. Описание устройств вывода данных

Устройства вывода информации – это аппаратные средства по выполнению преобразования компьютерного представления в ту форму, что является понятной человеку.

Монитор предназначен для выполнения отображения графической, символьной информации. Большинство всех имеющихся мониторов созданы на основании жидкокристаллических мониторов.

Также, в ноутбуках мониторы выполнены обычно с LED-панелей. Очень практичные размеры мониторов, представляющих очень плоские экраны, а также отсутствие вредных факторов, влияющих на здоровье, делают такой вид дисплеев очень популярным (рис. 19).

Рис.19. Жидкокристаллический монитор

Базовыми характеристиками мониторов есть:

– разрешение;

– диагональ дисплея;

– частота обновления.

Плоттеры предназначены для выполнения вывода создания схем, разной графической информации, всех сложных архитектурных чертежей, художественной и иллюстративной графики (рис. 20).

Рис.20. Плоттер

Плоттеры могут также применяться для выполнения высококачественной документации, являются незаменимыми при работе всех художников, инженеров, оформителей, дизайнеров, проектировщиков.

Размеры всех документов на плоттере больше размеров всех документов, что можно создать при помощи принтеров. Максимальная длина куска материала ограничена длиной рулонов бумаги.

Устройства голосового вывода информации при наличии соответствующего ПО в ПК могут воспроизводить разные звуки, которые похожи на естественную речь.

Рис.21. Колонки

Примеры применения речевого вывода информации встречаются повсюду: и в супермаркетах, и в метро.

Широчайшее распространение устройств находят в образовании, а именно при обучении иностранным языкам.

По принципу печати различаются такие основные 3 типы принтеров (рисунок 22):

– матричные;

– лазерные;

– струйные.

Рис.22. Виды принтеров

Существует ряд разных технологий печати, к примеру, сублимационная технологи или печать за счет выполнения процедуры термопереноса, которые и применяются намного реже.

Лазерная технологии (вместо зеркала и лазера, отклоняющего от лазерного луча, применяется линейка светодиодов), что с точки зрения пользователя неразличимы во многих случаях.

На многие десятилетия технология матричной печати была фактическим стандартом, а через множество перевоплощений, безраздельно она господствовала до начала 80-х гг. прошлого века (рис.23).

Рис.23. Внешний вид матричного принтера

На сегодняшний день все матричные принтеры не очень популярные, большим спросом пользуются лазерные и струйные принтеры.

Причиной такому стало полное техническое превосходство других технологий для печати, которые обеспечивают намного более высокое отображение текста, графики; намного лучшая работа устройств, как минимум тише работающих матричных предшественников