Джон фон нейман и его выводы по устройству и принципам работы эвм.

 

Архитектуру компьютера начали разрабатывать в 1943 году Джон Преспер Эккерт и Джон Уильям Мокли, учёные из Пенсильванского университета по заказу Лаборатории баллистических исследований Армии США для расчётов таблиц стрельбы. Проект электронной вычислительной машины ENIAC, был сделан в электротехнической лаборатории Пенсильванского университета (США) в конце 1945 года. В начале 1944 года к проекту присоединился в качестве консультанта известный американский математик венгерского происхождения Джон фон Нейман (1903-1957). На основе анализа недостатков ENIAC внёс существенные предложения по созданию новой более совершенной машины — EDVAC. В отчётном докладе по этой работе, который Дж. фон Нейман сделал в июне 1946 года, были названы основные требования, предъявляемые к создаваемым ЭВМ.

Компьютер должен включать в себя:

· Устройство управления (УУ)

· Арифметико-логическое устройство (АЛУ)

· Запоминающее устройство (ЗУ)

· Устройство ввода информации

· Устройство вывода информации

· Машины на электронных элементах должны работать в двоичной системе счисления

· Программа, как и исходные данные, должна записываться в памяти ЭВМ

· Программа и числа должна записываться в двоичном коде

· Требуются иерархическая организация памяти, то есть выделение оперативной и долговременной памяти, из-за трудностей физической реализации запоминающего устройства

· В машине должен применяться последовательный принцип выполнения операций

· В машине должен выполняться параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над числами проводятся одновременно по всем разрядам)

Эти принципы до настоящего времени являются основополагающими при проектировании и создании компьютеров. Поэтому любая ЭВМ имеет в своём составе следующие устройства:

· процессор, который включает в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ);

· Запоминающее устройство (ЗУ), которое обычно называют памятью;

· Устройство ввода информации;

· Устройство вывода информации.

 

Все эти устройства соединены между собой каналами связи, по которым передаётся информация и управляющие сигналы.

Устройство ввода

Устройство вывода

ЗАПОМНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

ПРОЦЕССОР

Оперативная память

Арифметико- логическое устройство

Устройство управления

Внешняя память

Рис. 3. Архитектура электронной вычислительной машины

 

На рисунке 3 показаны основные устройства ЭВМ и важнейшие связи между ними. Двойные стрелки на рисунке показывают направления движения информации, а обычные стрелки – направления передачи управляющих сигналов.

Устройство управления является одним из важнейших устройств электронной вычислительной машины. Оно управляет процессом работы ЭВМ, выполняя все операции этого процесса по заданной программе. Программа представляет собой последовательность команд, которые выбираются из арифметико-логического устройства и из запоминающего устройства.

Арифметико-логическое устройство обеспечивает переработку информации. В нём выполняются не только арифметические операции (сложение, вычитание, умножение, деление и другие), но и логические операции. Кроме того, АЛУ вырабатывает управляющие сигналы, которые позволяют машине выбирать путь для последующих действий на основе полученных результатов.

Арифметико-логическое устройство получает информацию для выполнения операций из оперативной памяти компьютера (напоминаем, что информация для выполнения операций называется операндом).

Устройство управления и арифметико-логическое устройство соединены в компьютере в единый блок – центральный процессор (ЦП). Современные ЦП, выполняемые в виде отдельных микросхем (чипов), называют микропроцессорами. С середины 1980-х они практически вытеснили прочие виды ЦП, вследствие чего термин «центральный процессор» стал всё чаще и чаще восприниматься как обыкновенный синоним слова «микропроцессор». Хотя это и не совсем так: центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы больших (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС).

Появление микропроцессоров, выполненных на одном кристалле (германия или кремния), сделало возможным создание современных персональных компьютеров и рабочих станций.

Наиболее известными мировыми производителями микропроцессоров являются в настоящее время американские фирмы Intel Corporation и AMD (Advanced Micro Devices Inc.). По данным агентства iSuppli, Intel имеет по итогам 2008 долю на рынке в 80,5 %, AMD — 12 %, а все остальные — 7,5 %.

Запоминающее устройство или, как обычно говорят, память занимает особое место среди устройств, из которых состоит ЭВМ. Создание автоматической памяти позволило машине выполнять алгоритмы, которые раньше могли быть выполнены только человеком.

Из рисунке 2 видно, что память ЭВМ состоит из двух частей – оперативной памяти и внешней памяти.

Оперативная память служит для хранения программ и данных, которые используются и сохраняются только на период работы компьютера. При отключении компьютера всё содержимое оперативной памяти исчезает. Главные требования, предъявляемые к оперативной памяти – объём и быстродействие. Оперативная память всегда меньше внешней памяти. И хотя у современных ЭВМ она бывает достаточно большой, её увеличение всегда желательно, так как расширяет возможности применения компьютеров. Оперативная память является внутренним устройством компьютера, присущим только ему и неотделимым от него. Быстродействие оперативной памяти объясняется тем, что она выполнена из электронных элементов.

Внешняя память может быть сколько угодно большой, но она значительно медленнее оперативной. Запись и считывание здесь осуществляется не только с помощью электронных элементов, но и электромеханических, быстродействие которых значительно хуже. Большинство современных ЭВМ имеет в своём составе в качестве внешней памяти накопители на магнитных носителях различного типа: на жёстком диске («винчестере»), на гибком диске (дискете), на магнитных барабанах и др. – а также на носителях, обмен информации с которыми осуществляется оптическими устройствами.

Внешняя память содержит программы и данные, требующие длительного хранения. В отличие от оперативной памяти, содержимое внешней памяти может быть отделено от компьютера и установлено на другом компьютере, передано другому пользователю.

Внешняя память может обмениваться информацией только с оперативной памятью. Поэтому, чтобы воспользоваться информацией, которая хранится во внешней памяти, нужно сначала вызвать её в оперативную память. При вызове информации из внешней памяти с неё снимается копия, поступающая в оперативную память. Оригинал информации остаётся при этом во внешней памяти, что гарантирует её сохранность для дальнейшей работы.

Устройство ввода служит для ввода в компьютер необходимой информации - программы и исходных данных. Чаще всего ввод информации и управление процессом выполнения программ осуществляется с экрана монитора (дисплея) клавиатурой и манипулятором «мышь».

 

Устройство вывода служит для вывода информации из ЭВМ. К устройствам вывода можно отнести монитор, принтер, графопостроитель (плоттер), модем и факс-модем.

 

Файловая система

Файловая система (англ. file system) — порядок, определяющий способ организации, хранения и именования данных на носителях информации в компьютерах, а также в другом электронном оборудовании: цифровых фотоаппаратах, мобильных телефонах и т.п. Файловая система определяет формат содержимого и способ физического хранения информации, которую принято группировать в виде файлов. Конкретная файловая система определяет размер имен файлов и (каталогов), максимальный возможный размер файла и раздела, набор атрибутов файла. Некоторые файловые системы предоставляют сервисные возможности, например, разграничение доступа или шифрование файлов.

 

Файловая система связывает носитель информации с одной стороны и API (интерфейс программирования приложений) для доступа к файлам — с другой. Когда прикладная программа обращается к файлу, она не имеет никакого представления о том, каким образом расположена информация в конкретном файле, так же как и на каком физическом типе носителя (CD, жёстком диске, магнитной ленте, блоке флеш-памяти или другом) он записан. Всё, что знает программа, — это имя файла, его размер и атрибуты. Эти данные она получает от драйвера файловой системы. Именно файловая система устанавливает, где и как будет записан файл на физическом носителе (например, жёстком диске).

 

С точки зрения операционной системы, весь диск представляет собой набор кластеров (как правило, размером 512 байт и больше). Драйверы файловой системы организуют кластеры в файлы и каталоги (реально являющиеся файлами, содержащими список файлов в этом каталоге). Эти же драйверы отслеживают, какие из кластеров в настоящее время используются, какие свободны, какие помечены как неисправные.

 

Однако файловая система не обязательно напрямую связана с физическим носителем информации. Существуют виртуальные файловые системы, а также сетевые файловые системы, которые являются лишь способом доступа к файлам, находящимся на удалённом компьютере.

 

Задачи файловой системы

 

Основные функции любой файловой системы нацелены на решение следующих задач:

· именование файлов;

· программный интерфейс работы с файлами для приложений;

· отображения логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных;

· организация устойчивости файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств;

· содержание параметров файла, необходимых для правильного его взаимодействия с другими объектами системы (ядро, приложения и пр.).

В многопользовательских системах появляется ещё одна задача: защита файлов одного пользователя от несанкционированного доступа другого пользователя, а также обеспечение совместной работы с файлами, к примеру, при открытии файла одним из пользователей, для других этот же файл временно будет доступен в режиме «только чтение».