СОДЕРЖАНИЕ
Введение 1. Поколенияязыков программирования
2. Понятиеархитектуры ЭВМ 3. Структура и принципы функционированияЭВМ 4. Основные характеристики вычислительнойтехники
5. Перспективыразвития вычислительных средств
Заключение
Литература
Введение
Тема реферата «Основныепринципы организации ПЭВМ» по дисциплине «Вычислительная техника и основыпрограммирования».
Цель работы – рассмотретьи изучить:
1. Поколения языковпрограммирования.
2. Понятиеархитектуры ЭВМ.
3. Структура ипринципы функционирования ЭВМ.
4. Основныехарактеристики вычислительной техники.
5. Перспективыразвития вычислительных средств.
1. Поколения языковпрограммирования
Языки программированияпринято делить на пять поколений. В первое поколение входят языки, созданные вначале 50-х годов, когда первые компьютеры только появились на свет. Это былпервый язык ассемблера, созданный по принципу “одна инструкция — одна строка”.
Расцвет второго поколенияязыков программирования пришелся на конец 50-х – начало 60-х годов. Тогда былразработан символический ассемблер, в котором появилось понятие переменной. Онстал первым полноценным языком программирования. Благодаря его возникновениюзаметно возросли скорость разработки и надежность программ.
Появление третьегопоколения языков программирования принято относить к 60-м годам. В это времяродились универсальные языки высокого уровня, с их помощью удается решитьзадачи из любых областей. Такие качества новых языков, как относительнаяпростота, независимость от конкретного компьютера и возможность использованиямощных синтаксических конструкций, позволили резко повысить производительностьтруда программистов. Понятная большинству пользователей структура этих языковпривлекла к написанию небольших программ (как правило, инженерного илиэкономического характера) значительное число специалистов из некомпьютерныхобластей. Подавляющее большинство языков этого поколения успешно применяется исегодня.
Сначала70-х годов по настоящее время продолжается период языков четвертого поколения.Эти языки предназначены для реализации крупных проектов, повышения ихнадежности и скорости создания. Они обычно ориентированы на специализированныеобласти применения, где хороших результатов можно добиться, используя неуниверсальные, а проблемно-ориентированные языки, оперирующие конкретнымипонятиями узкой предметной области. Как правило, в эти языки встраиваютсямощные операторы, позволяющие одной строкой описать такую функциональность, дляреализации которой на языках младших поколений потребовались бы тысячи строкисходного кода.
Рождение языков пятого поколенияпроизошло в середине 90-х годов. К ним относятся также системы автоматическогосоздания прикладных программ с помощью визуальных средств разработки, беззнания программирования. Главная идея, которая закладывается в эти языки, — возможность автоматического формирования результирующего текста науниверсальных языках программирования (который потом требуетсяоткомпилировать). Инструкции же вводятся в компьютер в максимально наглядномвиде с помощью методов, наиболее удобных для человека, не знакомого спрограммированием.
Совокупность устройств, предназначенных дляавтоматизированной обработки данных, называют вычислительной техникой.Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ,предназначенный для обслуживания рабочего участка, называют вычислительнойсистемой. Центральным устройством большинства вычислительных систем являетсякомпьютер.
При рассмотрении ЭВМ каксредства обработки информации важную роль играют понятие архитектуры ЭВМ,классификация ЭВМ, структура и принципы функционирования ЭВМ, а также основныехарактеристики вычислительной техники.
2.Понятиеархитектуры ЭВМ
С середины 60-х годовсущественно изменился подход к созданию вычислительных машин. Вместонезависимой разработки аппаратуры и некоторых средств математическогообеспечения стала проектироваться система, состоящая из совокупности аппаратных(hardware) и программных(software) средств. При этом на первый план выдвинуласьконцепция их взаимодействия. Так возникло принципиально новое понятие —архитектура ЭВМ. программирование вычислительный техника
Под архитектурой ЭВМпонимаетсясовокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и иххарактеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решениисоответствующих классов задач.
АрхитектураЭВМ охватывает широкий круг проблем, связанных с построением комплексааппаратных и программных средств и учитывающих множество факторов. Среди этихфакторов важнейшими являются: стоимость, сфера применения, функциональныевозможности, удобство эксплуатации, а одним из главных компонентов архитектурыявляются аппаратные средства. Основные компоненты архитектуры ЭВМ можнопредставить в виде схемы, показанной на рис. 1.
/>
Рис. 1. Основные компонентыархитектуры ЭВМ
Архитектурувычислительного средства следует отличать от его структуры. Структуравычислительного средства определяет его конкретный состав на некотором уровнедетализации (устройства, блоки узлы и т. д.) и описывает связи внутри средстваво всей их полноте. Архитектура же определяет правила взаимодействия составныхчастей вычислительного средства, описание которых выполняется в той мере, вкакой это необходимо для формирования правил их взаимодействия. Онарегламентирует не все связи, а наиболее важные, которые должны быть известныдля более грамотного использования данного средства.
Так, пользователю ЭВМбезразлично, на каких элементах выполнены электронные схемы, схемно или программнореализуются команды и т.д. Важно другое: как те или иные структурныеособенности ЭВМ связаны с возможностями, предоставляемыми пользователю, какиеальтернативы реализованы при создании машины и по каким критериям принималисьрешения, как связаны между собой характеристики отдельных устройств, входящих всостав ЭВМ, и какое влияние они оказывают на общие характеристики машины. Инымисловами, архитектура ЭВМ действительно отражает круг проблем, относящихся кобщему проектированию и построению вычислительных машин и их программногообеспечения.3. Структура и принципы функционирования ЭВМ
Более чем за полвекаразвития вычислительных средств прогресс в аппаратной реализации ЭВМ и ихтехнических характеристик превзошел все прогнозы, и пока не заметно снижениеего темпов. Несмотря на то, что современные ЭВМ внешне не имеют ничего общего спервыми моделями, основополагающие идеи, заложенные в них и связанные спонятием алгоритма, разработанным Аланом Тьюрингом, а также архитектурной
реализацией, предложеннойДжоном фон Нейманом, пока не претерпели коренных изменений (за исключениемсистем параллельной обработки информации).
ЛюбаяЭВМ неймановской архитектуры содержит следующие основные устройства:
— арифметико-логическоеустройство (АЛУ);
— устройство управления(УУ);
— запоминающее устройство(ЗУ);
— устройства ввода-вывода(УВВ);
— пульт управления (ПУ).
В современных ЭВМ АЛУ иУУ объединены в общее устройство, называемое центральным процессором.Обобщенная логическая структура ЭВМ представлена на рис. 2.
/>
Рис. 2. Обобщеннаялогическая структура ЭВМ
Процессор, илимикропроцессор, является основным устройством ЭВМ. Он предназначен длявыполнения вычислений по хранящейся в запоминающем устройстве программе иобеспечения общего управления ЭВМ. Быстродействие ЭВМ в значительной мереопределяется скоростью работы процессора. Для ее увеличения процессориспользует собственную память небольшого объема, именуемую местной илисверхоперативной, что в некоторых случаях исключает необходимость обращения кзапоминающему устройству ЭВМ.
Вычислительный процессдолжен быть предварительно представлен для ЭВМ в виде программы — последовательности инструкций (команд), записанных в порядке выполнения. Впроцессе выполнения программы ЭВМ выбирает очередную команду, расшифровываетее, определяет, какие действия и над какими операндами следует выполнить. Этуфункцию осуществляет УУ. Оно же помещает выбранные из ЗУ операнды в АЛУ, где онии обрабатываются. Само АЛУ работает под управлением УУ.
Обрабатываемые данные ивыполняемая Программа должны находиться в запоминающем устройстве — памяти ЭВМ,куда они вводятся через устройство ввода. Емкость памяти измеряется ввеличинах, кратных байту. Память представляет собой сложную структуру,построенную по иерархическому принципу, и включает в себя запоминающиеустройства различных типов. Функционально она делится на две части: внутреннююи внешнюю.
Внутренняя, или основная память — этозапоминающее устройство, напрямую связанное с процессором и предназначенное дляхранений выполняемых программ и данных, непосредственно участвующих ввычислениях. Обращение к внутренней памяти ЭВМ осуществляется с высоким быстродействием,но она имеет ограниченный объем, определяемый системой адресации машины.
Внутренняя память, в своюочередь, делится на оперативную (ОЗУ) и постоянную (ПЗУ) память. Оперативнаяпамять, по объему составляющая большую часть внутренней памяти, служит для приема,хранения и выдачи информации. При выключении питания ЭВМ содержимое оперативнойпамяти в большинстве случаев теряется.Постоянная память обеспечивает хранениеи выдачу информации. В отличие от содержимого оперативной памяти, содержимоепостоянной заполняется при изготовлении ЭВМ и не может быть изменено в обычныхусловиях эксплуатации. В постоянной памяти хранятся часто используемые(универсальные) программы, и данные; к примеру, некоторые программыоперационной системы, программы тестирования оборудования ЭВМ и др. Привыключении питания содержимое постоянной памяти сохраняется.
Внешняя память (ВЗУ)предназначена для размещения больших объемов информации и обмена ею соперативной памятью. Для построения внешней памяти используют энергонезависимыеносители информации (диски и ленты), которые к тому же являются переносимыми.Емкость этой памяти практически не имеет ограничений, а для обращения к нейтребуется больше времени, чем к внутренней.
Внешние запоминающиеустройства конструктивно отделены от центральных устройств ЭВМ (процессоромвнутренней памяти), имеют собственное управление и выполняют запросы процессорабез его непосредственного вмешательства. В качестве ВЗУ используют накопителина магнитных и оптических дисках, а также накопители на магнитных лентах.
ВЗУ по принципамфункционирования разделяются на устройства прямого доступа (накопители намагнитных и оптических дисках) и устройства последовательного доступа(накопители на магнитных лентах). Устройства прямого доступа обладают большимбыстродействием, поэтому они являются основными внешними запоминающимиустройствами, постоянно используемыми в процессе функционирования ЭВМ.Устройства последовательного доступа используются в основном для резервированияинформации.
Устройства ввода-выводаслужат соответственно для ввода информации в ЭВМ и вывода из нее, а также дляобеспечения общения пользователя с машиной. Процессы ввода-вывода протекают сиспользованием внутренней памяти ЭВМ. Иногда устройства ввода-вывода называютпериферийными или внешними устройствами ЭВМ. К ним относятся, в частности,дисплеи (мониторы), клавиатура, манипуляторы типа «мышь», алфавитно-цифровыепечатающие устройства (принтеры), графопостроители, сканеры и др. Дляуправления внешними устройствами (в том числе и ВЗУ) и согласованияих ссистемным интерфейсом служат групповые устройства управления внешними устройствами,адаптеры или контроллеры.
Системный интерфейс— это конструктивная часть ЭВМ, предназначенная для взаимодействия ееустройств и обмена информацией между ними.
В больших, средних исупер-ЭВМ в качестве системного интерфейса используются сложные устройства,имеющие встроенные процессоры ввода-вывода, именуемые каналами. Такиеустройства обеспечивают высокую скорость обмена данными между компонентами ЭВМ.
Отличительнойособенностью малых ЭВМ является использование в качестве системного интерфейсасистемных шин. Различают ЭВМ с многошинной структурой и с общей шиной. Впервых, для обмена информацией между устройствами используются отдельные группышин, во втором случае все устройства ЭВМ объединяются с помощью одной группышин, в которую входят подмножества шин для передачи данных, адреса и управляющихсигналов. При такой организации системы шин обмен информацией междупроцессором, памятью и периферийными устройствами выполняется по единомуправилу, что упрощает взаимодействие устройств машины.
Пульт управления служитдля выполнения оператором ЭВМ или системным программистом системных операций входе управления вычислительным процессом. Кроме того, при техническомобслуживании ЭВМ за пультом управления работает инженерно-технический персонал.Пульт управления конструктивно часто выполняется вместе с центральным процессором.4. Основные характеристики вычислительной техники
К основным характеристикамвычислительной техники относятся ее эксплуатационно-технические характеристики,такие, как быстродействие, емкость памяти, точность вычислений и др.
Быстродействие ЭВМрассматривается в двух аспектах. С одной стороны, оно характеризуетсяколичеством элементарных операций, выполняемых центральным процессором всекунду. Под элементарной операцией понимается любая простейшая операция типасложения, пересылки, сравнения и т. д. С другой стороны, быстродействие ЭВМсущественно зависит от организации ее памяти. Время, затрачиваемое на поискнеобходимой информации в памяти, заметно сказывается на быстродействии ЭВМ.
В зависимости от областиприменения выпускаются ЭВМ с быстродействием от нескольких сотен тысяч домиллиардов операций в секунду. Для решения сложных задач возможно объединениенескольких ЭВМ в единый вычислительный комплекс с требуемым суммарнымбыстродействием.
Наряду с быстродействиемчасто пользуются понятием производительность. Если первое обусловлено, главнымобразом, используемой в ЭВМ системой элементов, то второе связано с ееархитектурой и разновидностями решаемых задач. Даже для одной ЭВМ такая характеристика,как быстродействие, не является величиной постоянной. В связи с этим различают:пиковое быстродействие, определяемое тактовой частотой процессора без учета обращенияк оперативной памяти; номинальное быстродействие, определяемое с учетом времениобращения к оперативной памяти; системное быстродействие, определяемое с учетомсистемных издержек на организацию вычислительного процесса; эксплуатационное,определяемое с учетом характера решаемых задач (состава операций или их«смеси»).
Емкость, или объем памяти определяется максимальным количествоминформации, которое можно разместить в памяти ЭВМ. Обычно емкость памятиизмеряется в байтах. Как уже отмечалось, память ЭВМ подразделяется навнутреннюю и внешнюю. Внутренняя, или оперативная память, по своему объему уразличных классов машин различна и определяется системой адресации ЭВМ. Емкостьвнешней памяти из-за блочной структуры и съемных конструкций накопителейпрактически неограниченна.
Точность вычислений зависит от количества разрядов,используемых для представления одного числа. Современные ЭВМ комплектуются 32-или 64-разрядными микропроцессорами, что вполне достаточно для обеспечениявысокой точности расчетов в самых разнообразных приложениях. Однако, если этогомало, можно использовать удвоенную или утроенную разрядную сетку
Система команд — это перечень команд, которыеспособен выполнить процессор ЭВМ. Система команд устанавливает, какие конкретнооперации может выполнять процессор, сколько операндов требуется указать вкоманде, какой вид (формат) должна иметь команда для ее распознания. Количествоосновных разновидностей команд невелико. С их помощью ЭВМ способны выполнятьоперации сложения, вычитания, умножения, деления, сравнения, записи в память,передачи числа из регистра в регистр, преобразования из одной системы счисленияв другую и т. д. При необходимости выполняется модификация команд, учитывающаяспецифику вычислений. Обычно в ЭВМ используется от десятков до сотен команд (сучетом их модификации). На современном этапе развития вычислительной техникииспользуются два основных подхода при формировании системы команд процессора. Содной стороны, это традиционный подход, связанный с разработкой процессоров сполным набором команд, — архитектураCISC (CompleteInstructionSetComputer— компьютер с полным набором команд).С другой стороны, это реализация в ЭВМ сокращенного набора простейших, но частоупотребляемых команд, что позволяет упростить аппаратные средства процессора иповысить его быстродействие — архитектураRISC (ReducedInstructionSetComputer — компьютер с сокращенным наборомкоманд).
Стоимость ЭВМ зависит отмножества факторов, в частности от быстродействия, емкости памяти, системыкоманд и т.д. Большое влияние на стоимость оказывает конкретная комплектацияЭВМ и, в первую очередь, внешние устройства, входящие в состав машины. Наконец,стоимость программного обеспечения ощутимо влияет на стоимость ЭВМ.
НадежностьЭВМ —это способность машины сохранять свои свойства при заданных условияхэксплуатации в течение определенного промежутка времени. Количественной оценкойнадежности ЭВМ, содержащей элементы, отказ которых приводит к отказу всеймашины, могут служить следующие показатели:
— вероятность безотказнойработы за определенное время при данных условиях эксплуатации;
— наработка ЭВМ на отказ;
— среднее времявосстановления машины и др.
Для более сложныхструктур типа вычислительного комплекса или системы понятие «отказ» не имеетсмысла. В таких системах отказы отдельных элементов приводят к некоторомуснижению эффективности функционирования, а не к полной потере работоспособностив целом.
Большоезначение имеют и другие характеристики вычислительной техники, например:универсальность, программная совместимость, вес, габариты, энергопотребление идр. Они принимаются во внимание при оценивании конкретных сфер применения ЭВМ.
5. Перспективыразвития вычислительных средств
Появление новых поколенийЭВМ обусловлено расширением сферы их применения, требующей болеепроизводительной, дешевой и надежной вычислительной техники. В настоящее времястремление к реализации новых потребительских свойств ЭВМ стимулирует работы посозданию машин пятого и последующего поколений. Вычислительные средства пятогопоколения, кроме более высокой производительности и надежности при более низкойстоимости (что обеспечено новейшими электронными технологиями) должныудовлетворять качественно новым функциональным требованиям:
— работать с базамизнаний в различных предметных областях и организовывать на их основе системыискусственного интеллекта;
— обеспечивать простотуприменения ЭВМ путем реализации эффективных систем ввода-вывода информацииголосом, диалоговой обработки информации с использованием естественных языков,устройств распознавания речи и изображения;
— упрощать процесссоздания программных средств путем автоматизации синтеза программ.
В настоящее время ведутсяинтенсивные работы как по созданию ЭВМ пятого поколения традиционной(неймановской) архитектуры, так и по созданию и апробации перспективныхархитектур и схемотехнических решений. На формальном и прикладном уровняхисследуются архитектуры на основе параллельных абстрактных вычислителей(матричные и клеточные процессоры, систолические структуры, однородныевычислительные структуры, нейронные сети и др.). Развитие вычислительнойтехники с высоким параллелизмом во многом определяется элементной базой,степенью развития параллельного программного обеспечения и методологиейраспараллеливания алгоритмов решаемых задач.
Проблема созданияэффективных систем параллельного программирования, ориентированных навысокоуровневое распараллеливание алгоритмов вычислений и обработки данных,представляется достаточно сложной и предполагает дифференцированный подход сучетом сложности распараллеливания и необходимости синхронизации процессов вовремени.
Наряду с развитиемархитектурных и системотехнических решений ведутся работы по совершенствованиютехнологий производства, интегральных схем и по созданию принципиально новыхэлементных баз, основанных на оптоэлектронных и оптических принципах.
В плане создания принципиальноновых архитектур вычислительных средств большое внимание уделяется проектамнейрокомпьютеров, базирующихся на понятии нейронной сети (структуры наформальных нейронах), моделирующей основные свойства реальных нейронов. Вслучае применения био- или опто-элементов могут быть созданы соответственнобиологические или оптические нейрокомпьютеры. Многие исследователи считают, чтов следующем веке нейрокомпьютеры в значительной степени вытеснят современныеЭВМ, используемые для решения трудно формализуемых задач. Последние достиженияв микроэлектронике и разработка элементной базы на основе биотехнологий даютвозможность прогнозировать создание биокомпьютеров.
Важным направлениемразвития вычислительных средств пятого и последующих поколений является интеллектуализацияЭВМ, связанная с наделением ее элементами интеллекта,интеллектуализацией интерфейса с пользователем и др. Работа в данномнаправлении, затрагивая, в первую очередь, программное обеспечение, потребует исоздания ЭВМ определенной архитектуры, используемых в системах управлениябазами знаний, — компьютеров баз знаний, а так же других подклассов ЭВМ. Приэтом ЭВМ должна обладать способностью к обучению, производить ассоциативнуюобработку информации и вести интеллектуальный диалог при решении конкретных задач.
Заключение
В процессе написанияреферата мы ознакомились с:
— поколениями языковпрограммирования;
— понятием архитектурыЭВМ;
— структурой и принципамифункционирования ЭВМ;
— основнымихарактеристиками вычислительной техники;
— перспективами развитиявычислительных средств.
Литература
1. Абрамов С.А.,Зима Е.В. Началапрограммирования на языке Паскаль. — М.: Наука, 1987;
2. Абрамов С.А.,Зима Е.В. Началаинформатики. — М.: Наука, 1988;
3. Дагене В.А.,Григас Г.К., Аугутис К.Ф. 100 задач по программированию. — М.:, Просвещение, 1993;
4. Довгаль С.И.,Литвинов Б.Ю., Сбитнев А.И. Персональные ЭВМ: Турбо-Паскаль V7.0, Объектное программирование,Локальные сети. (Учебное пособие).- Киев, «Информсистема сервис», 1993;
5. Епанешников А.М.,Епанешников В.А.Программирование в среде Turbo-Pascal 7.0 .- М.:, Диалог МИФИ, 1993;
6. Ильина М.М. Работа в Word 7.0 на примерах. — М.: Восточная книжная компания,1996;
7. Йенсен К., ВиртН. Паскаль: Руководстводля пользователя. /Пер. с англ. М.Л.Сальникова, Ю.В.Сальниковой. — М.:,Компьютер, 1993;
8. Microsoft Windows 95.Шаг за шагом: Практическое пособие. /Пер.с англ.-М.: ЭКОМ, 1996;
9. Новиков Ф., А.,Яценко А., Д. MicrosoftOffice в целом. — СПб.: ВHV-Санкт-Петербург, 1995;
10. Перминов О.Н. Программирование на языке Паскаль. — М.: Радио и связь, 1988;
11. Поляков Д.Б., Круглов Н.Ю. Программирование в средеТурбо-Паскаля. — изд.МАИ., М.:, 1992;
12. Прайс Д. Программирование на языке Паскаль.Практическое руководство. /Пер. с англ. — М.:, Мир, 1987;
13. Семашко Г.Л., Салтыков А.И. Программирование на языке Паскаль. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит.,1993;
14. Фаронов В.В. Турбо-Паскаль. Начальный курс – 1кн. Практика программирования –2 кн. Учебное пособие. — М.: «Нолидж»,1997;
15. Фигурнов В.Э. — IBM PC для пользователя. — М.:Финансы и статистика,1995;
16. Эрбс Х.-Э., Штольц О. Введение в программирование на языкеПаскаль./Пер. с нем. — М.:, Мир, 1989;
17. Хелворсон М., Янг М. Эффективная работа с Microsoft Office 95 /Пер. с англ. — СПб: Питер, 1996.