Презентация по дисциплине "Информатика и основы программирования". Тема: ЭВМ (1 курс)

Слайд #1

ЭВМ
Электронно-вычислительная машина (ЭВМ) — это устройство или комплекс устройств, предназначенных для автоматической обработки информации, выполнения математических операций, хранения данных и управления различными процессами посредством выполнения программ. ЭВМ могут быть различных форм и размеров, от микроконтроллеров до суперкомпьютеров, и охватывают широкий спектр приложений. Вот несколько основных определений ЭВМ:
Михаилс Ильичёвс

Слайд #2

Определения
1
ЭВМ как универсальное
вычислительное устройство
ЭВМ представляет собой универсальное вычислительное устройство, способное выполнять предварительно запрограммированные инструкции для обработки данных.
2
ЭВМ как система обработки данных
ЭВМ можно определить как систему, состоящую из аппаратных и программных средств, предназначенную для автоматизированной обработки данных.

Слайд #3

Определения
3
ЭВМ как многофункциональное
устройство
ЭВМ описывается как многофункциональное устройство, способное выполнять широкий спектр задач от простых арифметических операций до сложных вычислений и алгоритмической обработки, в зависимости от программного обеспечения.
4
ЭВМ с точки зрения архитектуры
С архитектурной точки зрения, ЭВМ может быть описана как система, основанная на принципах архитектуры фон Неймана или архитектуре Гарварда, с характерными особенностями хранения и обработки инструкций и данных.

Слайд #4

Определения
5
ЭВМ в контексте эволюции вычислительной техники
ЭВМ также определяется через призму эволюции вычислительной техники, отражающей переход от механических и электромеханических устройств к современным цифровым компьютерам, использующим микропроцессоры и интегральные схемы.

Слайд #5

Основные компоненты ЭВМ
1
Центральный процессор (ЦПУ)
Является "мозгом" компьютера и отвечает за выполнение программных инструкций.
2
Память
Используется для хранения данных и инструкций, необходимых ЦПУ для выполнения
программ.
3
Устройства ввода-вывода
Позволяет ЭВМ взаимодействовать с пользователем, а также с другими
устройствами и системами.

Слайд #6

Принципы работы. Тенденции развития.
Принципы работы ЭВМ.
ЭВМ работают на основе цикла обработки инструкций, который включает в себя этапы чтения, декодирования, выполнения и записи. Данные и инструкции представлены в двоичной форме, что позволяет использовать простые электронные компоненты для их обработки. Программное обеспечение делится на системное, которое обеспечивает базовое функционирование ЭВМ, и прикладное, предназначенное для решения конкретных задач пользователя.
Тенденции развития.
Современные тенденции в развитии ЭВМ включают квантовые компьютеры, которые обещают революционный скачок в вычислительной мощности, искусственный интеллект, который позволяет машинам обучаться и принимать решения, и облачные вычисления, предоставляющие доступ к мощным вычислительным ресурсам через интернет. Эти технологии продолжают трансформировать области науки, образования, промышленности и повседневной жизни, делая обработку и анализ больших объёмов данных более доступными и эффективными.

Слайд #7

Арифметические основы. Определение.
Арифметические основы ЭВМ обозначают фундаментальные принципы и методы, используемые в электронно-вычислительных машинах для выполнения базовых арифметических и логических операций, которые являются краеугольным камнем всех вычислительных процессов. Эти основы включают в себя представление чисел в двоичной системе счисления, которая адаптирована для обработки с помощью двух физических состояний (вкл/выкл), и охватывают спектр операций, начиная от простейших, таких как сложение и вычитание, до более сложных, включая умножение, деление, и различные логические операции.
Арифметические основы также подразумевают использование специализированных цифровых схем, таких как арифметико-логические устройства (АЛУ), которые оптимизированы для эффективного выполнения этих операций, обеспечивая тем самым высокую производительность и точность в обработке данных и выполнении программных инструкций.

Слайд #8

Арифметические основы. Прямой код.
Прямой код — это метод представления целых чисел в двоичной системе счисления, где старший бит используется для обозначения знака числа, а остальные биты — для представления абсолютного значения числа. В этом формате положительные числа и ноль обычно кодируются с ведущим нулём, а отрицательные числа — с ведущей единицей. Прямой код прост в понимании и использовании, однако может вызывать сложности при выполнении арифметических операций, особенно с отрицательными числами, поскольку требует дополнительной логики для обработки знака.

Слайд #9

Арифметические основы. Обратный код.
Обратный код — это способ представления отрицательных чисел в двоичной системе счисления, при котором для получения представления отрицательного числа берется двоичное представление его абсолютного значения, и инвертируются все биты, кроме знакового бита (старшего бита). Для положительных чисел и нуля обратный код совпадает с прямым кодом, а знаковый бит указывает на знак числа (0 для положительных чисел и 1 для отрицательных).

Слайд #10

Арифметические основы. Дополнительный код.
Дополнительный код — это метод представления целых чисел в двоичной системе счисления, который облегчает выполнение арифметических операций, в том числе с отрицательными числами. Для получения дополнительного кода отрицательного числа необходимо инвертировать все биты двоичного представления его абсолютного значения (как в обратном коде) и прибавить к результату единицу. Положительные числа и ноль в дополнительном коде представляются так же, как и в прямом коде, с ведущим нулём в качестве знакового бита.
Особенностью дополнительного кода является то, что он позволяет избежать проблемы двойного представления нуля, присущей обратному коду, и упрощает арифметические операции, особенно вычитание.

Слайд #11

Арифметические основы. Правила арифметических действий.
Правила арифметических действий — это набор основополагающих принципов и инструкций, определяющих порядок и способы выполнения основных арифметических операций, таких как сложение, вычитание, умножение и деление, а также более сложных операций, вытекающих из них. Эти правила включают в себя как элементарные аспекты, такие как коммутативность (переместительный закон) и ассоциативность (сочетательный закон), так и более сложные концепции, например, правила порядка выполнения операций и использование скобок для изменения стандартного порядка действий. Они необходимы для обеспечения единообразия и предсказуемости результатов арифметических вычислений в математике и связанных с ней дисциплинах, включая программирование и компьютерные науки.
Арифметические операции в двоичной системе счисления производятся по принципам, аналогичным тем, что используются в десятичной системе, но с учетом того, что основанием системы является 2, а не 10. В двоичной системе доступны только два символа: 0 и 1.

Слайд #12

Арифметические основы. Операции.
Процесс выполнения математических операций на ЭВМ.
Сложение
Вычитание
Умножение
Деление

Слайд #13

Арифметические основы. Операции. Пример.

Слайд #14

Логические основы. Определение.
Логические основы ЭВМ (электронно-вычислительных машин) охватывают фундаментальные принципы и механизмы, на которых строится выполнение логических операций в компьютерах. Эти принципы лежат в основе обработки данных и управления процессами в ЭВМ, позволяя выполнять операции сравнения, принятия решений и выполнения условных инструкций. Рассмотрим более подробно ключевые аспекты логических основ ЭВМ.

Слайд #15

Логические основы. Основные логические операции и обозначения.
Логические операции
Основы логики и операции с бинарными данными.
И (AND, ∧, ⋅, &, AB)
ИЛИ (OR, ∨, +, ∣)
НЕ (NOT, ¬, ∼, 𝐴 )

Слайд #16

Логические основы. Дополнительные операции и символы для уравнений.
Дополнительные операции
Исключающее ИЛИ (XOR) – (⊕, ⊻, △)
NAND (И-НЕ) – ( 𝐴∧𝐵 , 𝐴|𝐵, 𝐴↑𝐵)
NOR (ИЛИ-НЕ) – ( 𝐴∨𝐵 , 𝐴|𝐵, 𝐴↓𝐵)
Символы для уравнений и функций:
=: Равенство, указывает на эквивалентность двух
логических выражений.
⇒: Импликация, указывает, что из первого выражения
следует второе.
⇔: Эквивалентность, указывает на то, что два выражения
имеют одинаковое значение истины во всех случаях.

Слайд #17

Логические основы. Инверсия. Таблица истинности.

Слайд #18

Логические основы. Основные операции. Таблица истинности.

Слайд #19

Логические основы. Логические схемы и устройства.
Логические схемы и устройства являются основой для построения различных цифровых систем, включая компьютеры, микроконтроллеры, цифровые часы и многие другие устройства. Они функционируют на основе бинарной логики, где каждый сигнал может находиться в одном из двух состояний: высоком (1, истина) или низком (0, ложь).
Логические схемы:
Логические вентили.
Комбинационные схемы.
Последовательные схемы.
Сложные логические операции и алгоритмы реализуются с помощью комбинационных и последовательных логических схем, которые строятся на основе базовых логических вентилей. Эти схемы выполняют функции, необходимые для арифметических операций, управления памятью, принятия решений и обработки условий в программном коде.

Слайд #20

Логические основы. Логические схемы и устройства. Вентили.
Логические операции реализуются в ЭВМ с помощью логических вентилей — электронных устройств, выполняющих базовые логические функции.
Основные типы логических вентилей:
AND (И) вентиль: выдает 1 только тогда, когда все входы равны 1.
OR (ИЛИ) вентиль: выдает 1, если хотя бы один вход равен 1.
NOT (НЕ) вентиль: инвертирует входной сигнал.
NAND, NOR, XOR и XNOR: комбинации основных вентилей для выполнения дополнительных логических функций.

Слайд #21

Логические основы. Логические схемы и устройства. Комбинационные схемы.
Комбинационные схемы формируют выходные сигналы, которые являются функцией только текущих входных сигналов.
Примеры включают:
Дешифраторы. Преобразуют двоичный код на входе в активированный выходной сигнал на одной из линий.
Шифраторы. Выполняют обратную функцию дешифраторам, преобразуя входные сигналы в двоичный код на выходе.
Мультиплексоры (MUX). Переключают один из нескольких входных сигналов на единственный выход.
Демультиплексоры (DEMUX). Обратное мультиплексорам, распределяют один входной сигнал на несколько выходных.

Слайд #22

Логические основы. Логические схемы и устройства. Последовательные схемы.
В отличие от комбинационные, последовательностные схемы имеют "память" и их выходные сигналы зависят как от текущих входных сигналов, так и от предыдущего состояния схемы. Примеры включают:
Триггеры (Flip-Flops). Базовые блоки памяти, которые хранят один бит информации.
Счетчики. Устройства, которые последовательно проходят через определенную последовательность состояний.
Регистры. Группы триггеров, используемые для хранения многобитных данных.

Слайд #23

Логические основы. Микропрограммное управление.
Логические основы ЭВМ также включают механизмы микропрограммного управления, где сложные инструкции процессора разбиваются на последовательности более простых операций, управляемых логическими схемами. Это позволяет реализовать сложные алгоритмы и управляющие структуры на аппаратном уровне.

Слайд #24

Логические основы. Логическое программирование и алгоритмы.
На уровне программного обеспечения логические основы ЭВМ находят отражение в алгоритмах и структурах данных, использующих логические операции для выполнения условий, циклов и управления потоками выполнения программ.

Слайд #25

Логические основы. Системы управления и диагностики.
Логические основы также применяются в системах управления ЭВМ и диагностики, где логические схемы используются для мониторинга состояний различных компонентов системы, обработки сигналов от устройств ввода/вывода и реализации механизмов самотестирования и восстановления после сбоев.

Слайд #26

Устройство ПК. Системный блок.
Материнская плата
Является основой для установки всех компонентов и устройств, обеспечивает их взаимосвязь.
Процессор
Является "мозгом" компьютера, выполняет инструкции программ и обработку данных.
Оперативная память (RAM)
Временное хранение данных и инструкций для быстрого доступа процессором.
Системный блок — это корпус, в котором находятся основные компоненты компьютера.
Жесткий диск (HDD)
или твердотельный
накопитель (SSD)
Долгосрочное хранение данных и программ.
Видеокарта (GPU)
Обработка графической информации и вывод изображения на монитор.
Блок питания (PSU)
Преобразование электрического тока из сети в необходимые компьютеру напряжения и токи.

Слайд #27

Устройство ПК. Периферийные устройства.
Монитор
Выводит изображение, сгенерированное компьютером
Клавиатуры и мышь
Основные устройства ввода для взаимодействия с компьютером.
Принтеры, сканеры и др. устройства
Расширяют возможности компьютера, позволяя выводить информацию на бумагу, сканировать документы и т.д.
Контроллер и адаптер
Устройства/интегрированные схемы, которые управляют взаимодействием периферийных устройств с компьютером.
Модем
Преобразует данные между аналоговой формой (для передачи по телефонным линиям или кабельным сетям) и цифровой формой, используемой компьютерами. Современные модемы часто интегрированы в сетевые адаптеры или роутеры и обеспечивают подключение к интернету.

Слайд #28

Устройство ПК. Прикладное ПО.
Операционная система
Управление аппаратным обеспечением и предоставление интерфейса пользователя.
Прикладное ПО
Выполнение конкретных задач пользователя (обработка текстов, таблиц, графический дизайн, игры и т.д.)

Слайд #29

Устройство ПК. Взаимодействие компонентов.
Все компоненты ПК взаимосвязаны и взаимодействуют друг с другом под управлением операционной системы. Процессор, являясь центральным элементом, обрабатывает данные, полученные из оперативной памяти, которая, в свою очередь, быстро обменивается данными с жестким диском или SSD для загрузки и сохранения результатов. Видеокарта отвечает за обработку графики и вывод изображения на монитор, в то время как блок питания обеспечивает все компоненты необходимой энергией.
Устройство персонального компьютера — это сложная и многокомпонентная система, где каждый элемент выполняет свою роль. Понимание того, как эти компоненты работают вместе, помогает не только в выборе и обслуживании компьютера, но и в оптимизации его работы для конкретных задач.

Слайд #30

Принципы работы ЭВМ
1
Центральный процессор (ЦПУ)
ЦПУ является "мозгом" ЭВМ и отвечает за выполнение всех операций.
2
Память
Память ЭВМ используется для хранения данных и программ.
3
Устройства ввода-вывода
Устройства ввода-вывода обеспечивают взаимодействие ЭВМ с внешним миром.
К устройствам ввода относятся клавиатура, мышь, сканер и т.д., а к устройствам
вывода — монитор, принтер, динамики и т.д.

Слайд #31

Принципы работы ЭВМ
4
Системные шины
Системные шины обеспечивают передачу данных между различными компонентами
ЭВМ. Они включают в себя шину данных, шину адреса и шину управления.
5
Цикл обработки инструкций
Процесс работы ЭВМ можно описать циклом
"получение-декодирование-исполнение-запись".
Получение (Fetch). ЦПУ получает следующую инструкцию из памяти.
Декодирование (Decode). ЦПУ интерпретирует инструкцию, определяя, какие
операции необходимо выполнить.
Исполнение (Execute). АЛУ или другой компонент выполняет операцию.
Запись (Write). Результаты операции записываются обратно в память или в
регистры для дальнейшего использования.

Слайд #32

Принципы работы ЭВМ. Системные шины. Шина данных. Определение.
Шина данных предназначена для передачи фактических данных между компонентами системы, такими как ЦПУ, оперативная память, устройства ввода-вывода и другие. Это двунаправленный путь, позволяющий данным перемещаться в обе стороны — от отправителя к получателю и обратно. Ширина шины данных (количество линий или "проводов") напрямую влияет на объем данных, которые могут быть переданы за один раз. Например, 64-битная шина данных может передавать 64 бита информации одновременно.

Слайд #33

Принципы работы ЭВМ. Системные шины. Шина адреса. Определение.
Шина адреса используется для указания адреса памяти, куда должны быть отправлены или откуда должны быть получены данные. Это однонаправленный путь, исходящий от ЦПУ к другим компонентам, таким как оперативная память. Ширина шины адреса определяет максимальный объем адресуемой памяти в системе. Например, система с 32-битной шиной адреса может напрямую адресовать до 232232 уникальных мест в памяти, что эквивалентно 4 гигабайтам.

Слайд #34

Принципы работы ЭВМ. Системные шины. Шина управления. Определение.
Шина управления переносит управляющие сигналы между компонентами системы, включая сигналы для управления работой шины данных и шины адреса. Она координирует доступ к шине данных и шине адреса, управляет чтением и записью данных, а также синхронизирует различные операции внутри ЭВМ. Сигналы управления включают в себя запросы на чтение или запись, подтверждения операций, прерывания и другие сигналы, которые необходимы для корректной работы системы.
В современных ЭВМ эти шины могут быть физически реализованы в виде групп проводов или трасс на печатной плате, соединяющих различные микросхемы и компоненты. Координация работы шин обеспечивает эффективное и надежное взаимодействие между всеми частями ЭВМ, позволяя системе функционировать как единое целое.

Слайд #35

Архитектура фон Неймана
Архитектура фон Неймана, также известная как модель фон Неймана или принцип фон Неймана, является основополагающей концепцией в области компьютерных наук и представляет собой описание структуры электронно-вычислительной машины. Эта модель была предложена в 1945 году Джоном фон Нейманом и другими участниками проекта по созданию ЭВМ в Институте перспективных исследований в Принстоне, США. Архитектура фон Неймана определяет физическую и логическую структуру компьютера и включает в себя пять основных компонентов.

Слайд #36

Архитектура фон Неймана
Центральный процессор
Исполнение команд и управление операциями
Память
Хранение программ и данных
Устройства ввода.
Обмен данными с внешним миром
Устройства вывода.
Обмен данными с внешним миром
Шина.
Система связи.

Слайд #37

Архитектура фон Неймана
Архитектура фон Неймана также предполагает последовательное выполнение инструкций, где каждая инструкция извлекается из памяти поочерёдно, декодируется и выполняется перед тем, как будет извлечена следующая инструкция. Этот подход обеспечивает простоту реализации и программирования, но также влечёт за собой ограничение производительности, известное как "узкое горлышко фон Неймана", когда скорость выполнения программы ограничена скоростью, с которой ЦПУ может извлекать инструкции из памяти.
С тех пор были разработаны различные методы и технологии для преодоления этого ограничения, включая кэширование, конвейеризацию и параллельную обработку. Тем не менее, базовые принципы архитектуры фон Неймана продолжают лежать в основе большинства современных компьютерных систем.

Слайд #38

Структура памяти ПК
Регистры процессора
Регистры — это крайне быстрые, но малоёмкие хранилища данных непосредственно внутри ЦПУ. Они используются для хранения промежуточных результатов вычислений и управляющей информации в процессе выполнения инструкций.
Кэш-память
Кэш-память — это небольшое количество быстрой памяти, расположенное на или близко к процессору. Она используется для временного хранения копий часто используемых данных и инструкций из основной памяти для ускорения их доступа ЦПУ.

Слайд #39

Структура памяти ПК
Основная память (ОЗУ)
Это основная память компьютера, в которой хранятся данные и программы, активно используемые процессором в текущий момент времени. Доступ к ОЗУ производится быстрее, чем к внешним устройствам хранения, но медленнее, чем к кэшу или регистрам.
Память массового хранения
Устройства массовой памяти, такие как жёсткие диски (HDD), твердотельные накопители (SSD), оптические диски и т. д., используются для долгосрочного хранения больших объёмов данных, программного обеспечения и пользовательских файлов.

Слайд #40

Структура памяти ПК
Виртуальная память
Виртуальная память — это механизм, который позволяет компьютерам компенсировать недостаток физической оперативной памяти за счёт временного перемещения частей данных и программ с ОЗУ на диск. Это создаёт иллюзию для пользователя и приложений, что доступный объём ОЗУ больше, чем физически присутствует.
Кэш на уровне жесткого диска
Некоторые жёсткие диски и SSD имеют собственный кэш-буфер, в котором временно хранятся данные для ускорения процессов чтения и записи.

Слайд #41

Работа процессора
1
Извлечение инструкции
Управляющее устройство извлекает инструкцию из памяти компьютера, используя счётчик команд (program counter), который указывает на адрес следующей инструкции для выполнения.
2
Декодирование инструкции
Анализирует полученную инструкцию и определяет, какую операцию необходимо выполнить. Этот процесс включает определение типа операции, операндов и любых других необходимых параметров.
3
Выполнение инструкции
АЛУ выполняет инструкцию, используя данные, которые могут быть получены из регистров, памяти или непосредственно из инструкции в зависимости от её типа.

Слайд #42

Работа процессора
4
Обращение к памяти/ввод-вывод (Memory Access/I-O)
Если инструкция требует обращения к памяти (например, для загрузки данных в регистр или сохранения результата вычисления), процессор обращается к памяти. Также на этом этапе может осуществляться обмен данными с устройствами ввода-вывода.
5
Запись результата (Write Back)
Результаты выполнения инструкции, такие как вычисленные данные или обновлённые значения регистров, записываются обратно в регистры или память.

Слайд #43

Этапы решения задачи на ЭВМ.
Формулировка задачи
Анализ задачи
Разработка алгоритма
Кодирование алгоритма
Тестирование и отладка
Выполнение программы
Анализ результатов
Документирование