Спроектировать выполнить схему компьютера закрытого типа
Обращаем Ваше внимание, что в соответствии с Федеральным законом N 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» в организациях, осуществляющих образовательную деятельность, организовывается обучение и воспитание обучающихся с ОВЗ как совместно с другими обучающимися, так и в отдельных классах или группах.
Рабочие листы и материалы для учителей и воспитателей
Более 2 500 дидактических материалов для школьного и домашнего обучения
Столичный центр образовательных технологий г. Москва
Получите квалификацию учитель математики за 2 месяца
от 3 170 руб. 1900 руб.
Количество часов 300 ч. / 600 ч.
Успеть записаться со скидкой
Форма обучения дистанционная
- Онлайн
формат - Диплом
гособразца - Помощь в трудоустройстве
311 лекций для учителей,
воспитателей и психологов
Получите свидетельство
о просмотре прямо сейчас!
Кафедра Естественно-научных дисциплин
Лекция по теме 3.1. Архитектура компьютера и основные характеристики
для студентов очной формы обучения
по специальности 40.02.02«Правоохранительная деятельность»
Одобрены на заседании кафедры Естественно-научных дисциплин
протокол № 1 от 31 августа 2020 г.
Вопросы для рассмотрения:
3. Этапы развития ЭВМ
В истории развития вычислительной техники качественный скачок происходил примерно каждые 10 лет. Такой скачок связывает с появлением нового поколения ЭВМ. Идея делить машины появилась по причине того, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию как в смысле элементной базы (лампы, транзисторы, микросхемы и др.), так и в смысле изменения ее структуры, появления новых возможностей, расширения областей применения и характера использования. Более подробно все этапы развития ЭВМ показаны на Рис. 2. Для того чтобы понять, как и почему одно поколение сменялось другим, необходимо знать смысл таких понятий, как память, быстродействие, степень интеграции и т. д.
Рис. 2. Поколения ЭВМ
Среди компьютеров не классической, не фон Неймановской архитектуры, можно выделить так называемые нейрокомпьютеры. В них моделируется работа клеток головного мозга человека, нейронов, а также некоторых отделов нервной системы, способных к обмену сигналами.
3. Этапы развития ЭВМ
5. Магистрально-модульный принцип
Рекомендованная литература:
1.Е.В. Михеева// Информационные технологии в профессиональной деятельности: Учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования /Е.В. Михеева, О.И. Титова. М.: Издательский центр «Академия», 2019.-416с.
2. Гарвардская архитектура
Компьютеры, построенные на принципах фон Неймана, имеют классическую архитектуру, но, кроме нее, существуют другие типы архитектуры. Например, Гарвардская. Ее отличительными признаками являются:
· хранилище инструкций и хранилище данных представляют собой разные физические устройства;
· канал инструкций и канал данных также физически разделены.
4. Функции некоторых узлов компьютера
5. Магистрально-модульный принцип
В основе архитектуры современных ЭВМ лежит магистрально-модульный принцип (Рис. 5). Модульный принцип позволяет комплектовать нужную конфигурацию и производить необходимую модернизацию. Он опирается на шинный принцип обмена информацией между модулями. Системная шина или магистраль компьютера включает в себя несколько шин различного назначения. Магистраль включает в себя три многоразрядные шины:
Рис. 5. Магистрально-модульный принцип построения ПК
Шина данных используется для передачи различных данных между устройствами компьютера; шина адреса применяется для адресации пересылаемых данных, то есть для определения их местоположения в памяти или в устройствах ввода/вывода; шина управления включает в себя управляющие сигналы, которые служат для временного согласования работы различных устройств компьютера, для определения направления передачи данных, для определения форматов передаваемых данных и т. д.
Такой принцип справедлив для различных компьютеров, которые можно условно разделить на три группы:
Далее рассмотрим каждый тип схем более подробно применительно для электрических схем.
Основной документ: ГОСТ 2.702-2011 Единая система конструкторской документации (ЕСКД). Правила выполнения электрических схем.
Так, что же такое и с чем «едят» эти схемы электрические?
Нам даст ответ ГОСТ 2.702-2011: Схема электрическая — документ, содержащий в виде условных изображений или обозначений составные части изделия, действующие при помощи электрической энергии, и их взаимосвязи.
Схемы электрические в зависимости от основного назначения подразделяют на следующие типы:
Схема электрическая структурная (Э1)
На структурной схеме изображают все основные функциональные части изделия (элементы, устройства и функциональные группы) и основные взаимосвязи между ними. Графическое построение схемы должно обеспечивать наилучшее представление о последовательности взаимодействия функциональных частей в изделии. На линиях взаимосвязей рекомендуется стрелками обозначать направление хода процессов, происходящих в изделии.
Пример схемы электрической структурной:
Схема электрическая функциональная (Э2)
На функциональной схеме изображают функциональные части изделия (элементы, устройства и функциональные группы), участвующие в процессе, иллюстрируемом схемой, и связи между этими частями. Графическое построение схемы должно давать наиболее наглядное представление о последовательности процессов, иллюстрируемых схемой.
Пример схемы электрической функциональной:
Схема электрическая принципиальная (полная) (Э3)
На принципиальной схеме изображают все электрические элементы или устройства, необходимые для осуществления и контроля в изделии установленных электрических процессов, все электрические взаимосвязи между ними, а также электрические элементы (соединители, зажимы и т.д.), которыми заканчиваются входные и выходные цепи. На схеме допускается изображать соединительные и монтажные элементы, устанавливаемые в изделии по конструктивным соображениям. Схемы выполняют для изделий, находящихся в отключенном положении.
Пример схемы электрической принципиальной:
Схема электрическая соединений (монтажная) (Э4)
На схеме соединений следует изображать все устройства и элементы, входящие в состав изделия, их входные и выходные элементы (соединители, платы, зажимы и т.д.), а также соединения между этими устройствами и элементами. Расположение графических обозначений устройств и элементов на схеме должно примерно соответствовать действительному размещению элементов и устройств в изделии. Расположение изображений входных и выходных элементов или выводов внутри графических обозначений и устройств или элементов должно примерно соответствовать их действительному размещению в устройстве или элементе.
Пример схемы электрической соединений:
Схема электрическая подключения (Э5)
На схеме подключения должны быть изображены изделие, его входные и выходные элементы (соединители, зажимы и т.д.) и подводимые к ним концы проводов и кабелей (многожильных проводов, электрических шнуров) внешнего монтажа, около которых помещают данные о подключении изделия (характеристики внешних цепей и (или) адреса). Размещение изображений входных и выходных элементов внутри графического обозначения изделия должно примерно соответствовать их действительному размещению в изделии. На схеме следует указывать позиционные обозначения входных и выходных элементов, присвоенные им на принципиальной схеме изделия.
Пример схемы электрической подключений:
Схема электрическая общая (Э6)
На общей схеме изображают устройства и элементы, входящие в комплекс, а также провода, жгуты и кабели (многожильные провода, электрические шнуры), соединяющие эти устройства и элементы. Расположение графических обозначений устройств и элементов на схеме должно примерно соответствовать действительному размещению элементов и устройств в изделии.
Пример схемы электрической общей:
Схема электрическая расположения (Э7)
На схеме расположения изображают составные части изделия, а при необходимости связи между ними — конструкцию, помещение или местность, на которых эти составные части будут расположены.
Пример схемы электрической расположения:
Схема электрическая объединенная (Э0)
На данном виде схем изображают различные типы, которые объединяются между собой на одном чертеже.
Пример схемы электрической объединенной:
Из транзисторов состоят логические элементы. Из логических элементов создают триггеры, сумматоры, логические блоки, счетчики. Комбинируя все это правильным образом можно создать свой собственный компьютер (или ЕОМ).
Логические элементы, их виды
- Элемент НЕ (инвертор). На выходе будет «1» тогда и только тогда, когда на входе будет «0»;
- Элемент И (конъюнкция). На выходе будет «1» тогда и только тогда, когда на всех входах будет «1»;
- Элемент ИЛИ (дизъюнкция). На выходе будет «1», когда хотя бы на одном входе будет «1»;
- Элемент сложения по модулю 2 (исключающее ИЛИ). На выходе будет «1» тогда и только тогда, когда на входе будет нечётное количество «1»;
- Повторитель;
- Управляющий повторитель. Используется для соединения нескольких выходов в один выход
Технологии построения электронных схем или строим логические элементы на транзисторах
Подключил к схеме источник питания на 5 вольт, подключил генератор на вход и осциллограф на выход. Начал тестирование на частоте 1 МГц, но схема не заработала. Потом понизил до 20 кГц — вуаля, схема заработала правильным образом. Манипулируя напряжением питания смог повысить рабочуюю частоту до 40 кГц…
Увы, но схема моих ожиданий не оправдала. К тому же только один Т-триггер заработал правильно на частоте до 40 кГц, а все остальные не могли переходить из высокого состояния в низкий, хотя внутринние RS-триггеры работали правильно.
Я провел еще некоторые эксперименты по построению логических элементов, только уже на полевых транзисторах. Результаты получились удовлетворительными, но появились некоторые проблемы:
- Высокая стоимость проекта (около 1000$ только на транзисторы);
- Проблема достать полевые SMD транзисторы в Украине;
- Проблема запаять 15 — 20 тысяч транзисторов на КМОП логике, вместо 7 — 10 тысяч на РТЛ.
Законы де Моргана или как можно уменьшить количество вентилей
Законы де Моргана — это правила, которые связывают логические операторы (дизъюнкцию и конъюнкцию) с помощью логического отрицания. В формальной логике их можно записать так:
Рассмотрим пример использования этих правил в действии. Пусть мы имеем такую схему:
Используя законы де Моргана схему можно переделать на такую:
Как можно заметить по таблицам истинности, логика этих схем идентичная.
Теперь маленький постулат: для логических элементов (кроме логического НЕ) на КМОП логике с инверсным выходом (например, логическое 2И-НЕ) нужно на два транзистора менше, чем для логических элементов с не инверсным выходом (например, логическое 2И).
Тогда, для первой схемы нужно будет 18 транзисторов, а для второй — 12 транзисторов. Причем, вторая схема будет работать быстрее из-за того, что используется меншее количество вентилей и сигнал будет проходить на порядок быстрее.
2.6.1. Архитектуры с фиксированным набором устройств. Компьютеры первого и второго поколения имели архитектуру закрытого типа с ограниченным набором внешнего оборудования. Такая архитектура характерна для компьютеров, базовая система логических элементов которых построена на электронных лампах и транзисторах. Введение любого до-полнительного функционального блока в такие архитектуры сопряжено с увеличением потребляемой мощности, занимаемой площади и увеличением стоимости всей системы. Поэтому компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имел возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком.
Компьютеры закрытой архитектуры эффективны при решении чисто вычислительных задач. Схема такой архитектуры приведена на рис. 2.8. Здесь устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы. Канал ввода и вывода допускает подключение только определенного числа внешних устройств. АЛУ обеспечивает не только числовую обработку информации, но и участвует в процессе ввода и вывода.
2.6.2. Открытая архитектура. Значительные успехи в миниатюризации электронных схем не просто способствовали уменьшению размеров базовых функциональных узлов ЭВМ, но и создали предпосылки для существенного роста быстродействия процессора. Возникло противоречие между высокой скоростью обработки информации внутри машины и медлен-ной работой устройств ввода-вывода. Для решения этой проблемы центральный процессор стали освобождать от функций обмена, передавая эти функции специальным электронным схемам управления работой внешних устройств. Такие схемы имели различные названия, последнее время всё чаще используется термин контроллер внешнего устройства. Контрол-лер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой внеш-него устройства по специальным встроенным программам обмена, причем без участия цен-трального процессора.
В начале 1970-х гг. фирмой DEC (Digital Equipment Corporation) был предложен ком-пьютер новой архитектуры. Она позволяла свободно подключать любые периферийные уст-ройства. Главным нововведением являлось то, что для связи между отдельными функцио-нальными узлами ЭВМ использовалась общая шина. Шиной называется основная интер-фейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств меж-ду собой (см. рис. 2.9). Подключение устройств к шине осуществлялось в соответствии со стандартом шины. Стандарт шины являлся свободно распространяемым документом, что позволяло фирмам – производителям периферийного оборудования разрабатывать контрол-леры для подключения своих устройств к шинам различных стандартов. Чаще всего шина состоит из трёх частей:
шины данных, по которой передаётся информация;
шины адреса, определяющей, куда передаются данные;
шины управления, регулирующей процесс обмена информацией.
Общее управление всей системой осуществляет центральный процессор, выделяя время другим устройствам для обмена информацией. Внешние устройства, уровни сигналов которых отличаются от уровней сигналов шины, подключаются к ней через специальное уст-ройство – контроллер, которое согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и управляет устройствам по командам центрального процессора. Контроллер подключается к шине специальным устройством – портом ввода-вывода. Каждый порт имеет свой номер, по которому происходит обращение.
Недостатком этой архитектуры является задержка работы “быстрых” устройств “мед-ленными”, т. к. к шине подключены устройства с разными объёмами и скоростями обмена информацией. Дальнейшее повышение производительности компьютера было найдено во введении дополнительной локальной шины, к которой подключались только “быстрые” уст-ройства. Потребовалось ещё одно дополнительное устройство – контроллер шины, который анализирует адреса портов и передаёт их контроллеру, подключённому к общей или локаль-ной шине.
- Методические указания по выполнению практических занятий;.
2. Справочная литература:
- Трутнев Д. Р. Архитектуры информационных систем. Основы проектирования: Учебное пособие. – СПб.: НИУ ИТМО, 2012. – 66 с.;
3. Рабочая тетрадь (обычная).
5. Карандаш простой.
Краткие теоретические и учебно-методические материалы
по теме практического занятия
По особенности архитектуры компьютеры подразделяются на два класса: с открытой архитектурой и закрытой архитектурой Под архитектурой компьютера понимается совокупность аппаратных и программных средств, организованных в систему, обеспечивающую функционирование компьютера.
Закрытая архитектура, в которой видеоконтроллер, интерфейсы и ОЗУ емкостью 2 Мбайт расположены на основной плате и не могут быть заменены. Автономная отладка аппаратуры на основе МК с открытой архитектурой предполагает контроль состояния многоразрядных магистралей адреса и данных с целью проверки правильности обращения к внешним ресурсам памяти и периферийным устройствам. Закрытая архитектура МК предполагает реализацию большинства функций разрабатываемого устройства внутренними средствами микроконтроллера. Поэтому разрабатываемый контроллер будет иметь малое число периферийных ИС, а обмен с ними будет идти преимущественно по последовательным интерфейсам.
К особенностям открытой архитектуры относятся:
• модульный принцип построения компьютера, в соответствии с которым все его компоненты выполнены в виде законченных конструкций — модулей, имеющих стандартные размеры и стандартные средства сопряжения;
• наличие общей (системной) информационной шины, к которой можно подключать различные дополнительные устройства через соответствующие разъемные соединения;
• совместимость новых аппаратных и программных средств с их предыдущими версиями, основанная на принципе «сверху — вниз», что означает, что последующие версии должны поддерживать предыдущие.
Устройство компьютера открытого типа базируется на взаимодействии внешних устройств с контролерами, которые, в свою очередь, взаимодействуют с системной платой, и являются открытыми системами. А это, в свою очередь, дает возможность производить дополнительные устройства всем заинтересованным компаниям, что, несомненно, положительно сказывается на развитии компьютерной отрасли, и увеличивает популярность компьютера.
Вопросы для закрепления теоретического материала
к практическому занятию
1. Дайте определение термину закрытой архитектуры.
2. Приведите примеры закрытых архитектур?
3. Укажите недостаток закрытых архитектур..
4. В чем заключается принцип открытой архитектуры ПК?
5. В большинстве современных IBM-совместимых компьютерах реализована архитектура, какого типа или дайте название?
6. Перечислите базовые компоненты компьютера.
Задания для практического занятия №2
1. Составить перечень основных элементов архитектуры компьютера.
2. Спроектировать (выполнить схему) компьютера закрытого типа.
3. Указать направление потоков функционирования обмена информации, основных конструктивных элементов
4. Изобразите подробную структурную схему ПК открытого типа и поясните назначение её компонентов.
Инструкция по выполнению заданий
практического занятия №2
1. Прочитать краткие теоретические сведения. При необходимости обратиться к справочным материалам.
2. Внимательно прочитать задание и приступить к выполнению.
Методика анализа результатов, полученных в ходе практического занятия
После выполнения практического задания проверить все структурные схемы, направления потоков функционирования и основные конструктивные элементы.
Порядок выполнения отчета по практическому занятию
1. Обязательно указать цели и задачи практического занятия.
2. Выписать задание
3. Показать этапы и результат выполнения задания.
4. Написать вывод о проделанной работе.
Тема 1.3. Программное обеспечение.
Практическое занятие № 3. Файловая система компьютера.
Учебная цель:
Получить представление о файловых системах компьютера.
Учебные задачи:
1. Изучить различные виды файловых систем.
Образовательные результаты, заявленные во ФГОС СПО
- определять оптимальную конфигурацию оборудования и характеристики устройств для конкретных задач;
- построение цифровых вычислительных систем и их архитектурные особенности
Задачи практического занятия №3
1. Повторить краткие теоретические сведения по теме практического задания
1. Принципы фон Неймана
Архитектура компьютера – это его устройство и принципы взаимодействия его основных элементов – логических узлов, среди которых основными являются процессор, внутренняя память (основная и оперативная), внешняя память и устройства ввода-вывода информации (периферийные) (Рис. 1).
Рис. 1. Условная модель структуры архитектуры ЭВМ
Принципы, лежащие в основе архитектуры ЭВМ, были сформулированы в 1945 году Джоном фон Нейманом, который развил идеи Чарльза Беббиджа, представлявшего работу компьютера как работу совокупности устройств: обработки, управления, памяти, ввода-вывода.
Принципы фон Неймана.
1. Принцип однородности памяти. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
2. Принцип адресуемости памяти. Основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так чтобы к хранящимся в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.
3. Принцип последовательного программного управления. Предполагает, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
4. Принцип жесткости архитектуры. Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.
1. Принципы фон Неймана
2. Гарвардская архитектура
4. Функции некоторых узлов компьютера
Каждый логический узел компьютера выполняет свои функции. Функции процессора (Рис. 3):
- обработка данных (выполнение над ними арифметических и логических операций);
- управление всеми остальными устройствами компьютера.
Рис. 3. Центральный процессор компьютера
Программа состоит из отдельных команд. Команда включает в себя код операции, адреса операндов (величин, которые участвуют в операции) и адрес результата.
Выполнение команды делится на следующие этапы:
формирование адреса следующей команды;
вычисление адресов операндов;
формирование признака результата;
Не все из этапов присутствуют при выполнении любой команды (зависит от типа команды), однако этапы выборки, декодирования, формирования адреса следующей команды и исполнения операции имеют место всегда. В определенных ситуациях возможны еще два этапа:
· реакция на прерывание.
Оперативная память (Рис. 4) устроена следующим образом:
· прием информации от других устройств;
· передача информации по запросу в другие устройства компьютера
Рис. 4. ОЗУ (Оперативное запоминающее устройство) компьютера
Читайте также: