Физические принципы работы ЭВМ

Государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования Тюменской области

Факультет управления

Кафедра математики и информатики

Курсовая работа

по дисциплине: «Основы программирования»

на тему: «Физические принципы работы ЭВМ»

Тюмень, 2013 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ.АРХИТЕКТУРА ЭВМ

.1 Этапы развития ЭВМ

.1 Понятие ЭВМ

.3 Структура ЭВМ

ГЛАВА 2. ОТДЕЛЬНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ЭВМ

.1 Изучение принципов работы различных компонентов ЭВМ

.2 Анализ работы отдельных компонентов ЭВМ

ГЛАВА 3. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА

.1 Описание Практической работы

.2 Листинг программы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Тема курсовой работы - «Физические принципы работы ЭВМ»

Данная тема является актуальной так как знание физических принципов работы ЭВМ является важной частью в большой сфере информационных технологий. Человек, знающий эти принципы, будет лучше представлять себе, что могут делать электронно-вычислительные машины, если знает как эти машины устроены. Многие не только расскажут, какие задачи решаются с помощью ЭВМ, но и продемонстрируют навыки работы с ними. Например проделать некоторые вычисления на калькуляторе сможет каждый школьник. А вот что там внутри этих устройств? Что лежит в основе их работы? На эти вопросы автор постарается ответить в своей курсовой работе.

Объект курсовой работы: ЭВМ

Цель: Исследование физических принципов работы ЭВМ

Задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели:

.Разбор этапов развития ЭВМ;

.Ввод понятия ЭВМ;

.Рассмотрение структуры ЭВМ;

.Изучение физических принципов работы различных компонентов ЭВМ;

. Проанализировать принципы построения и архитектур ЭВМ;

Практической работой данной курсовой работы является реализация игры «Спички» с помощью языка программирования Pascal в среде PascalABC, более подробное описание представлено в главе три.

ГЛАВА 1.ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ. АРХИТЕКТУРА ЭВМ

1.1 Этапы развития ЭВМ

Первое поколение (1945-1954) - компьютеры на электронных лампах (вроде тех, что были в старых телевизорах). Это доисторические времена, эпоха становления вычислительной техники. Большинство машин первого поколения были экспериментальными устройствами и строились с целью проверки тех или иных теоретических положений. Вес и размеры этих компьютерных динозавров, которые нередко требовали для себя отдельных зданий, давно стали легендой.

Основоположниками компьютерной науки по праву считаются Клод Шеннон - создатель теории информации, Алан Тьюринг - математик, разработавший теорию программ и алгоритмов, и Джон фон Нейман - автор конструкции вычислительных устройств, которая до сих пор лежит в основе большинства компьютеров. В те же годы возникла еще одна новая наука, связанная с информатикой, - кибернетика, наука об управлении как одном из основных информационных процессов. Основателем кибернетики является американский математик Норберт Винер.

Одно время слово кибернетика использовалось для обозначения вообще всей компьютерной науки, а в особенности тех ее направлений, которые в 60-е годы считались самыми перспективными: искусственного интеллекта и робототехники. Вот почему в научно-фантастических произведениях роботов нередко называют киберами. А в 90-е годы это слово опять всплыло для обозначения новых понятий, связанных с глобальными компьютерными сетями - появились такие неологизмы, как киберпространство, кибермагазины.

Второе поколение ЭВМ - (1955-1964) вместо электронных ламп использовались транзисторы, а в качестве устройств памяти стали применяться магнитные сердечники и магнитные барабаны - далекие предки современных жестких дисков. Все это позволило резко уменьшить габариты и стоимость компьютеров, которые тогда впервые стали строиться на продажу.

Но главные достижения этой эпохи принадлежат к области программ. На втором поколении компьютеров впервые появилось то, что сегодня называется операционной системой. Тогда же были разработаны первые языки высокого уровня - Фортран, Алгол, Кобол. Эти два важных усовершенствования позволили значительно упростить и ускорить написание программ для компьютеров; программирование, оставаясь наукой, приобретает черты ремесла.

Соответственно расширялась и сфера применения компьютеров. Теперь уже не только ученые могли рассчитывать на доступ к вычислительной технике; компьютеры нашли применение в планировании и управлении, а некоторые крупные фирмы даже компьютеризовали свою бухгалтерию, предвосхищая моду на двадцать лет.

Третье поколение ЭВМ - (1965-1974) впервые стали использоваться интегральные схемы - целые устройства и узлы из десятков и сотен транзисторов, выполненные на одном кристалле полупроводника (то, что сейчас называют микросхемами). В это же время появляется полупроводниковая память, которая и по всей день используется в персональных компьютерах в качестве оперативной.

В эти годы производство компьютеров приобретает промышленный размах. Пробившаяся в лидеры фирма IBM первой реализовала семейство ЭВМ - серию полностью совместимых друг с другом компьютеров от самых маленьких, размером с небольшой шкаф (меньше тогда еще не делали), до самых мощных и дорогих моделей. Наиболее распространенным в те годы было семейство System/360 фирмы IBM, на основе которого в СССР была разработана серия ЕС ЭВМ.

Еще в начале 60-х появляются первые миникомпьютеры - небольшие маломощные компьютеры, доступные по цене небольшим фирмам или лабораториям. Миникомпьютеры представляли собой первый шаг на пути к персональным компьютерам, пробные образцы которых были выпущены только в середине 70-х годов. Известное семейство миникомпьютеров PDP фирмы Digital Equipment послужило прототипом для советской серии машин СМ. Между тем количество элементов и соединений между ними, умещающихся в одной микросхеме, постоянно росло, и в 70-е годы интегральные схемы содержали уже тысячи транзисторов. Это позволило объединить в единственной маленькой детальке большинство компонентов компьютера - что и сделала в 1971 г. фирма Intel, выпустив первый микропроцессор, который предназначался для только-только появившихся настольных калькуляторов. Этому изобретению суждено было произвести в следующем десятилетии настоящую революцию - ведь микропроцессор является сердцем и душой нашего с вами персонального компьютера.

Но и это еще не все - поистине, рубеж 60-х и 70-х годов был судьбоносным временем. В 1969 году зародилась первая глобальная компьютерная сеть - зародыш того, что мы сейчас называем Интернетом. И в том же 1969 году одновременно появились операционная система Unix и язык программирования С (Си), оказавшие огромное влияние на программный мир и до сих пор сохраняющие свое передовое положение.

Четвертое поколение ЭВМ - к сожалению, дальше стройная картина смены поколений нарушается. Обычно считается, что период с 1975 по 1985 гг. принадлежит компьютерам четвертого поколения. Однако есть и другое мнение - многие полагают, что достижения этого периода не настолько велики, чтобы считать его равноправным поколением. Сторонники такой точки зрения называют это десятилетие принадлежащим третьему с половиной поколению компьютеров, и только с 1985 г., по их мнению, следует отсчитывать годы жизни собственно четвертого поколения, здравствующего и по сей день.

Так или иначе, очевидно, что начиная с середины 70-х все меньше становится принципиальных новаций в компьютерной науке. Прогресс идет в основном по пути развития того, что уже изобретено и придумано, - прежде всего за счет повышения мощности и миниатюризации элементной базы и самих компьютеров.

И, конечно же, самое главное - что с начала 80-х, благодаря появлению персональных компьютеров, вычислительная техника становится по-настоящему массовой и общедоступной. Складывается парадоксальная ситуация: несмотря на то, что персональные и миникомпьютеры по-прежнему во всех отношениях отстают от больших машин, львиная доля новшеств последнего десятилетия - графический пользовательский интерфейс, новые периферийные устройства, глобальные сети - обязаны своим появлением и развитием именно этой несерьезной технике. Большие компьютеры и суперкомпьютеры, конечно же, отнюдь не вымерли и продолжают развиваться. Но теперь они уже не доминируют на компьютерной арене, как было раньше [4].

1.2 Понятие ЭВМ

ЭВМ - вычислительное устройство, в котором основные функциональные элементы выполнены на электронных приборах (электронных лампах, полупроводниковых приборах, интегральных схемах). Вначале, в 1950-х гг., электронные вычислительные машины делили на аналоговые (ЭВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные. Однако уже с сер. 1970-х гг. понятие «электронная вычислительная машина <#"725369.files/image001.gif">

Рисунок 1. - Классическая структура ЭВМ

Такая структура считается классической. Она предложена Нейманом и содержит в себе основные черты современных архитектурных решений ЭВМ. Во второй главе мы познакомимся с основными устройствами, входящими в эту схему, их назначением и существующими между ними связями.

ГЛАВА 2 ОТДЕЛЬНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ЭВМ

2.1 Изучение физических принципов работы различных компонентов ЭВМ

Системная шина. Системная шина- основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще через дополнительную микросхему контроллера шины, формирующую основные сигналы управления [2,c.118].

Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Арифметическо-логическое устройство - это практически сердце процессора. Это то, что позволяет процессору складывать, вычитать, а также выполнять базовые логические операции вроде и\или. Так как каждый компьютер должен уметь выполнять эти простые функции, АЛУ всегда присутствует в процессоре. То, как производитель организует АЛУ, определяет в дальнейшем общую производительность процессора [5].

Основная задача этого устройства - преобразование информации, поступающей из памяти. АЛУ, входящие в состав современных ЭВМ, могут выполнять до ста и более различных действий (операций). Кроме обычных арифметических - сложения, вычитания, умножения, деления - в наборе операций, которыми располагает АЛУ, содержатся операции, позволяющие редактирование информации, сравнение чисел, формирование признаков для выбора одной из ветвей вычисления и др.

По физической реализации АЛУ является чисто электронным устройством, что позволяет получить очень высокие скорости преобразования цифровой информации. В современных ЭВМ арифметические и логические операции выполняются с поражающей воображение скоростью - от сотен тысяч до десятков и даже от сотен миллионов операций в секунду. Для обеспечения такой высокой скорости работы машины в целом, процессы, связанные с передачей информации между устройствами, полностью автоматизированы [1,c.34].

Запоминающее устройство(ЗУ), или память. Промежуточные и окончательные результаты расчетов, исходные данные и информацию, управляющую всеми работами в ЭВМ, надо на некоторое время запомнить. Поэтому любая ЭВМ (и самая большая, и микрокалькулятор) имеет собственную память - запоминающие устройства.

В память, как на склад, помещают все, что нужно ЭВМ для вычислений. Разумеется, здесь должен быть полный порядок, т.е. ЗУ должны своевременно выдавать и записывать информацию.

В современных цифровых вычислительных машинах можно встретить разные виды памяти. Дело в том, что даже уровень сегодняшней техники не позволяет создать память на одном типе носителя информации, в котором большая емкость сочеталась бы с высокой скоростью записи и воспроизведения информации. Поэтому в состав ЭВМ входят несколько запоминающих устройств, отличающихся по емкости и быстродействию.

Самая быстрая память невелика, но зато позволяет вспоминать с большей скоростью. Ее называют оперативной памятью. В оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) хранится только та информация, которая используется в данное время при решении конкретной задачи. Для длительного хранения больших массивов информации используется внешние запоминающие устройства (ВЗУ) большей емкости, но работающие со значительно меньшей скоростью. Внешними их называют потому, что в больших машинах они отделены от оперативных ЗУ.

При работе ЭВМ некоторая часть информации остается неизменной. Поэтому часто используемые физические константы, таблицы, коэффициенты некоторых специальных функций, стандартные программы и т.д. могут быть записаны в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), допускающее только быстрое считывание информации по произвольным адресам. Запись информации в ПЗУ осуществляется электрическим или механическим способом в процессе изготовления ПЗУ. В полупостоянных или перепрограммируемых запоминающих устройствах (ППЗУ) информация может многократно изменяться вне машины или в ней, но со скоростью, как правило, значительно меньшей скорости считывания.

В высокопроизводительных ЭВМ в состав АЛУ также включают сверхоперативные запоминающие устройства (СОЗУ), имеющие сравнительно малую информационную емкость и цикл работы, примерно равный циклу выполнения арифметических и логических операций.

для повышения эффективности обмена информацией между устройствами используют еще и так называемую буферную память, предназначенную для промежуточного хранения информации. Информацию из буферной памяти получают отдельные устройства ЭВМ, работающие с различной скоростью [1,c.36].

Как видите, память ЭВМ устроена довольно сложно; она многоэтажна. Такое устройство памяти ЭВМ позволяет организовать движение информации в машине таким образом, чтобы АЛУ всегда имело возможность использовать необходимую информацию без потери времени на ожидание.

Устройство управления (УУ). Это устройство руководит порядком выполнения операций, координирует работу ЭВМ в целом и ведает дипломатией взаимоотношений между отдельными устройствами машины.

Если для всех частей машины искать сравнения, то для этого устройства подходит аналогия с дирижером. Оно, как и дирижер, командует ансамблем устройств, составляющих ЭВМ. А «партитурой» ему служит программа, предварительно записанная в памяти. Каждый такт пьесы, разыгрываемой под руководством УУ, является законченным элементарным действием: сложением двух чисел, сравнением двух величин и т.д. Именно УУ настраивает арифметико-логическое устройство на выполнение конкретных операций, «заботится» о том, чтобы из памяти была извлечена информация, необходимая для этих операций, не забывает по окончании действия записать результат в память, либо переслать в распоряжение устройств ввода-вывода [1,c.36].

Таким образом, УУ интересуется результатом операции и в зависимости от значения этого результата принимает решение о дальнейшем ходе выполнения программы. Взаимоотношения УУ и АЛУ настолько тесны и сложны, что эти два устройства часто объединяют в одну группу, которую называют процессором.

Устройство ввода-вывода (УВВ). Это органы общения человека с машиной. С помощью УВВ человек вводит в машину программу и данные, необходимые для выполнения программы, а также получает в удобной для дальнейшей работы форме результаты: таблицы, графики, схемы, чертежи.

Промежуточными носителями информации могут служить и магнитные ленты. первоначально магнитная лента играла роль вторичного носителя; запись информации на магнитную ленту производилась путем перезаписи ее перфокарт или перфолент. Позже были разработаны специальные клавишные устройства, обеспечивающие непосредственную запись информации на магнитную ленту.

Подготовленную (отперфорированную на картах или перфоленте, или записанную на магнитную ленту) программу можно ввести в ЭВМ с очень высокой скоростью благодаря специальным считывающим устройствам ввода. Для каждого типа носителя существует свое специфическое устройство ввода.

Считывающее устройство читает закодированную на носителе информацию и записывает ее в оперативную память. После того как программа и исходные данные введены, машина приступает к вычислениям. Результаты расчетов печатаются на бумаге специальным печатающим устройством. Обычное его название - алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ). В современных больших ЭВМ информация вводится в машину непосредственно без каких-либо промежуточных носителей. Средством общения человека с машиной в этом случае служит пульт управления. сообщения машины высвечиваются на телевизионном экране в виде легкочитаемых текстов. Отвечающая часть пультов очень напоминает клавиатуру пишущей машинки, на которой имеются буквы, цифры, специальные символы. В память ЭВМ они передаются закодированными с помощью электрических сигналов [1,c.38].

2.2 Анализ работы отдельных компонентов ЭВМ

электронный вычислительный считывающий логический

Посмотрим теперь, как взаимодействуют между собой различные устройства машины. Обратимся еще раз к рисунку 1. На нем сплошными линиями показаны связи по обмену информацией между устройствами ЭВМ, а штриховыми - управляющие связи.

Идя за стрелками на рисунке (см. рисунок 1.1[1,c.34]), можно в общих чертах проследить пути чисел и команд. Все основные магистрали в машине проходят через запоминающее устройство.

Это и понятно, ведь сюда с перфокарт или с пульта вводится программа и исходные данные. Поскольку оперативная память машины имеет ограниченную информационную емкость, часть информации размещается в ВЗУ, откуда извлекается по мере необходимости в процессе вычислений.

Машина работает отдельными трактами. Такт работы машины - команда из оперативной памяти передается в управляющее устройство. Это так называемая управляющая информация. Как правило, это содержимое одной ячейки - одно машинное слово. В этом управляющем машинном слове (команде) закодирована исчерпывающая инструкция о действиях машины на ближайший отрезок времени, т.е. на один такт ее работы.

Управляющее устройство (УУ) расшифровывает информацию, содержащуюся в управляющем машинном слове, и в зависимости от значения этого слова выдает участвующим в операции устройствам ЭВМ приказы о конкретных действиях.

После того как устройства выполняют порученную им работу, они сообщают об этом УУ, а затем либо из памяти извлекается следующее управляющее слово, либо движение информационных потоков в ЭВМ будет приостановлено. По мере переработки информации промежуточные результаты передаются на хранение в оперативную память (ОЗУ), а окончательные в ПЗУ или ВЗУ. Последние команды программы определяют операции передачи из памяти в устройства вывода информации, где информация фиксируется на некоторый носитель информации в форме, удобной для восприятия человеком или машиной (если есть необходимость последующего ввода полученной информации в ЭВМ). При этом специальный счетчик считает одну выполненную команду за другой. Этот все время повторяющийся процесс - выбор команды, исполнение, выбор, исполнение - определяет основной ритм работы машины. Из большего числа таких повторений и состоит автоматическое выполнение машиной предписанной программы.

ГЛАВА 3.ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА

3.1 Описание практической работы

Практическая работа заключается в реализации игры Спички, суть игры заключается в том, что игроки по очереди берут определенное количество спичек из общей кучи, проигрывает тот, кто заберет последнюю спичку, общее число спичек и промежуток между минимальным и максимальным количеством спичек которые можно изъять из общей кучи устанавливается самими игроками.

При запуске программы устанавливаются условия игры: общее число спичек и количество изымаемых (см. рис. 3.1)

Рисунок 3.1- ввод условий игры

Далее идет сам процесс игры, игроки по очереди берут спички (см. рис. 3.2)

Рисунок 3.2. - ход игрока

Когда одним из игроков будет изъята последняя спичка, программа выводит кто из игроков выиграл, предлагает сыграть снова или покинуть игру (см. рис. 3.3)

Рисунок 3.3 - вывод победившего игрока

3.2 Листинг программы

spicki;crt;per,vtor,kol,num,ot,da: integer; s : set of byte; {Объявление переменных}

repeat {Начало цикла, цикл выполняется до тех пор пока игрок не на жмет Esc, после нажатия клавиши программа завершится}

clrscr;

num:=0;

writeln ('введите кол-во спичек для игры'); readln(kol);('введите сколько спичек можно убрать минимум'); readln(ot);('введите сколько спичек можно убрать максимум'); readln(da);

s:=[ot..da]; {Устанавливается множество, являющееся количеством спичек, которые можно изъять из общего числа спичек}

repeat { Начало цикла, цикл работает до тех пор, пока общее количество спичек не будет равно 0}

clrscr;(num mod 2)=0 ('ходит первый игрок');('осталось ',kol,' спичек');('сколько спичек вы хотели бы убрать?');readln(per);

If per in s then {Проверка принадлежности к множеству введенного игроком количества изымаемых спичек}

begin

kol:=kol-per; {Вычисление оставшихся спичек после хода игрока}

num:=num+1;;

writeln ('было введено не соответствуещее правилам кол-во');('введите соответствующее правилам кол-во');('');('Для продолжения нажмите клавишу');

readln();;;

writeln ('ходит второй игрок');('осталось ',kol,' спичек');('сколько спичек вы хотели бы убрать?');readln(vtor);

If vtor in s then:=kol-per; {Вычисление оставшихся спичек после хода игрока}

num:=num+1;;

writeln ('было введено не соответствуещее правилам кол-во');('введите соответствующее правилам кол-во');('');('Для продолжения нажмите клавишу');

readln();;;kol<1; (num mod 2)=0 then {Выполняется определение победившего игрока}

begin

clrscr;('победа');('выйграл первый игрок');

end;('победа');

writeln('выйграл второй игрок');;('если вы хотите сыграть еще раз нажмите любую клавишу');('если вы хотите выйти нажмите Esc');readkey=#27;.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Поставленные цели были достигнуты: Рассмотрены основные этапы развития ЭВМ, архитектура вычислительных машин, физические принципы работы основных компонентов и связь между ними. Проанализировав работу каждого из основных компонентов ЭВМ, можно более ясно понять как устроена ЭВМ и по какому принципу она работает. А рассмотрение этапов развития ЭВМ, показывает недостатки и их решение предшественников современных компьютеров.

По мнение автора знание внутреннего принципа работы электронно-вычислительных машин является актуальным, потому что грамотный специалист в сфере информационных технологий должен знать устройство с которым он работает, а так же историю развития информационных технологий.

Можно сделать вывод, что ЭВМ это не простое устройство, а целый комплекс различных компонентов, связанных между собой, где каждое устройство отвечает за выполнение отведенных ему задач.

Практическая часть была выполнена. Благодаря данной работе автор самостоятельно изучил работу условного цикла с проверкой после выполнения блока операторов, узнал как можно применить множества в программировании.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

1. Мнеян М.Г. Физические принципы работы ЭВМ[Текст], 1987. - 190с.

.Бройдо В.Л. Архитектура ЭВМ и систем [Текст]:учебник для студентов вузов / Бройдо В.Л., Ильина О.П., 2006. - 717с.

. Королев Л.Н. Архитектура электронных вычислительных машин [Текст], 2005. - 269с.

4.Компьютерные новости Com new [Электронный ресурс] - Режим доступа: <http://www.comnew.ru/1244-kompyuternye-texnologii.html>

. NetDocs.ru - Сетевые технологии [Электронный ресурс] - Режим доступа: <http://www.netdocs.ru/articles/arithmetic-logic-unit.html>

. Энциклопедия техники [Электронный ресурс] - Режим доступа: <http://enc-dic.com/enc_tech/Jelektronnaja-vchislitelnaja-mashina-488.html>