Раздел 1. Электронные вычислительные машины.
1.1 Классификация ЭВМ………………………………………………………………………стр. 3
1.2 Структура и принцип построения ЭВМ…………………………………………………стр. 4
1.3 Структура и принцип построения мини – ЭВМ……………………………………….стр. 6
Раздел 2. Арифметические и логические основы ЭВМ.
2.1 Основы систем счисления………………………………………………………...........стр. 8
2.2 Перевод целых чисел из одной системы счисления в другую………………...…стр. 9
2.3 Перевод дробных чисел из одной системы счисления в другую……………...…стр.11
2.4 Выбор системы счисления.......................................................................................стр.13
2.5 Двоичная арифметика……………………………………………………………………стр. 14
2.6 Кодирование чисел в ЭВМ………………………………………………………………стр. 15
2.7 Формы представления чисел в ЭВМ………………………………………………… стр.16
2.8 Сложение и вычитание двоичных чисел с фиксированной точкой………………стр. 18
2.9 Сложение и вычитание двоичных чисел с плавающей точкой……………………стр.20
2.10 Сложение и вычитание десятичных чисел………………………………………….стр.21
2.11 Способы представления и передачи информации в ЭВМ……………………….стр.23
2.12 Комбинационные и последовательностные устройства………………………….стр.25
2.13 Основы алгебры логики………………………………………………………………..стр. 25
2.14 Образование переключательных функций…………………………………………стр.26
2.15 Логические операции……………………………………………………………………стр.27
2.16 Логические элементы ЭВМ……………………………………………………………стр.29
2.17 Представление переключательных функций………………………………………стр.38
2.18 Минимизация переключательных функций с использованием законов
и тождеств………………………………………………………………………………………стр.40
2.19 Построение схемы на основе булева выражения в ДНФ…………………………стр.41
2.20 Построение схемы на основе булева выражения в КНФ…………………………стр.42
2.21 Карты Карно для переменных………………………………………………………….стр.43
2.22 Минимизация переключательных функций с помощью карт Карно…стр.44
2.23 Анализ и синтез комбинационных схем………………………………………………стр.46
Раздел 3. Комбинационные устройства.
3.1 Дешифратор………………………………………………………………………………....стр.48
3.2 Шифратор…………………………………………………………………………………....стр.50
3.3 Мультиплексоры…………………………………………………………………………....стр.51
3.4 Демультиплексоры………………………………………………………………………....стр.53
3.5 Сумматоры…………………………………………………………………………………...стр.56
3.6 Арифметическо-логические блоки……………………………………………………….стр.60
3.7 Преобразователи кодов…………………………………………………………………....стр.62
Раздел 4. Последовательностные устройства.
4.1 Триггеры……………………………………………………………………………………….стр.65
4.2 Регистры……………………………………………………………………………………....стр.80
4.3 Счётчики……………………………………………………………………………………….стр.88
Раздел 5. Запоминающие устройства.
5.1 Основные сведения о ЗУ…………………………………………………………………...стр.92
5.2 Схемотехника запоминающих устройств………………………………………………..стр.94
5.3 Оперативные запоминающие устройства……………………………………………….стр.95
5.4 Постоянные запоминающие устройства………………………………………………........................................................стр.101
Введение.
Цифровые ЭВМ - результат развития электронной вычислительной техники. Её создание связано с именем английского математика Ч. Бэббиджа, который в 1833 г. высказал идею программного управления для построения устройства, автоматически выполняющего арифметические действия. Однако его попытки построить механическое вычислительное устройство не увенчалось успехом.
Эта идея была реализована по проекту Г. Айкена фирмой ИБМ (США) в машине "Марк- 1" которая была построена на электромагнитных реле и имела программу, набираемую вручную на коммутационных дисках и переключателях.
Первая цифровая ЭВМ была создана в 1945 г. под руководством Дж. Моугли и Дж. Эккерта (США), Она была названа ’’ЭНИАК", весила 30 т., содержала 18 000 электронных ламп, выполняла 5 000 операций в секунду.
Первые отечественные ламповые вычислительные машины МЭСМ и БЭСМ были созданы под руководством академика С. А. Лебедева. БЭСМ (большая электронная счётная машина) являлась в то время самой быстродействующей ЭВМ в мире (8 ООО опер/с)
ЭВМ первого поколения (1955-1960 гг.) строились на дискретных радиодеталях и электронных лампах. Отечественной промышленностью были выпущены ламповые машины: БЭСМ-2, Стрела, М-2, М-3, Минск-1, Урал-1, Урал-4 и др. Эти машины имели быстродействие 10-20 тыс. операций в секунду, малую ёмкость памяти (1024 слова - 1 К), большие габариты, вес, потребляемую мощность.
В ЭВМ второго поколения (1960-1965 гг.) в качестве элементной базы использовались полупроводниковые приборы (транзисторы и диоды) и миниатюрные дискретные элементы, а в качестве технологической базы - печатный монтаж. Эти машины характеризуются повышенным быстродействием - 500 тыс. оп/с. большей ёмкостью памяти - 16-32К слов, меньшими массами и габаритами, повышенной надёжностью, значительным снижением потребляемой мощности по сравнению с ламповыми.
К ЭВМ второго поколения, выпускавшихся отечественной промышленностью, относятся ЭВМ различных назначений: малые ЭВМ серий Наири и Мир: средние ЭВМ для научных расчётов и обработки данных со скоростью работы 5-30 тыс. опер/с - Минск-2, Минск-22, Минск-32. Раздан-2, М-220; быстродействующие машины со скоростью работы 1 млн. операций в сек. - 5ЭСМ-6. Днепр и др.
Третье поколение ЭВМ (1965-1970 гг.) создавались на полупроводниковых интегральных схемах (ИМС). С применением ИМС значительно повысились надёжность и быстродействие, уменьшены габариты и масса машин. Совместно были разработаны и выпущены ЕС ЭВМ первого, второго и третьего ряда.
Параллельно с созданием ЕС ЭВМ были разработаны и серийно выпускались системы малых (мини) электронных вычислительных машин (СМ ЭВМ), предназначенных для решения небольших по объёму задач, для автоматизации измерений, предварительной обработки информации, поступающей по каналам связи и др.
К третьему поколению относятся модели СМ ЭВМ: СМ-3, СМ-4, СМ-1М, СМ-2М. представляющие собой управляющие, сравнительно быстродействующие (200-800 тыс. операций в сек.) ЭВМ.
Четвёртое поколение ЭВМ (с 1970 г.) выполняется на БИС и сверхбольших интегральных схемах (СБИС), что способствует дальнейшему повышению быстродействия и надёжности ЭВМ, уменьшает их габариты и потребляемую мощность. Высокая степень интеграции, достигнутая в БИС и СБИС, обеспечила создание нового класса машин - микро ЭВМ на основе микропроцессора.
Микропроцессор - программируемое логическое устройство, реализованное на одной или нескольких БИС и СБИС. Микропроцессоры обладают универсальностью, что и обусловило их широкое внедрение в разнообразные электронные устройства. Появление микропроцессоров способствовало резкому снижению себестоимости, размеров, потребляемой мощности и одновременно повышению надёжности микро ЭВМ.
Отечественной промышленностью выпускались микро ЭВМ семейства "Электроника- 60", "Электроника-С5", "Ряд-3", СМ 1300, СМ 1800, "Эльбрус-2" и др.
В последние годы появились и нашли широкое применение персональные ЭВМ (ПЭВМ). Персональный характер микро ЭВМ понимается не столько в плане личной эксплуатации, сколько в возможности эксплуатировать её без помощи профессионального программиста, т.е. самостоятельно, персонально.
Для ЭВМ пятого поколения элементная база основывается на СБИС и оптико - электронных элементах. Для оптических ЭВМ носителями энергии служат не электроны, а фотоны, что значительно повышает скорость передачи сигналов, поэтому быстродействие ЭВМ может достигнуть сотен миллионов операций в секунду. Для передачи и преобразования оптических сигналов применяют лазеры, светоизлучающие диоды, световоды и различные фотоприёмники. ЭВМ пятого поколения - машины с искусственным интеллектом.
Раздел 1. Электронные вычислительные машины
Классификация ЭВМ.
Цифровая вычислительная машина - это вычислительная машина, в которой обрабатываемая информация представляется в виде цифровых данных перепада напряжения или тока.
Цифровые ЭВМ - наиболее универсальный тип устройства для обработки информации. Эти машины получили название электронных вычислительных машин. ЦВМ обладают большой скоростью выполнения арифметических и логических операций, возможностью хранения большого количества различных данных и решения широкого круга
математических задач и т.д. Основные характеристики ЭВМ:
1. Производительность - количество действий, выполняемых машиной за единицу времени, при решении различных задач. По производительности ЭВМ можно разделить на:
1.2 Малые - 10-50тыс операций в секунду.
1.2 Средние - 50тыс.-1млн. операций в сек.
1.3 Большие - свыше 1млн. операций в сек.
2. Память - функциональная часть ЭВМ, предназначенная для приёма, хранения и выдачи данных.
3. Ёмкость памяти - наибольшее количество данных, выраженное в единицах информации, которая может одновременно храниться в памяти. Объём информации оценивается в битах или байтах. Бит - единица двоичной информации, 8 бит составляют 1байт (1К - 1024байт).
По назначению, конструктивным особенностям и структурному построению ЭВМ можно разделить на:
1. ЭВМ общего назначения (универсальные). Они широко используются в различных отраслях и предназначены для решения широкого круга вычислительных и информационно-логических задач. Архитектура этих ЭВМ позволяет подключать разнообразные периферийные устройства. Они имеют универсальную систему команд, ЭВМ общего назначения подразделяются на:
1.1 Высокопроизводительные (большие) ЭВМ - имеют быстродействие свыше 1 млн. операций/сек. работают с предельным объёмом основной памяти процессора и расширенной конфигурацией ввода-вывода.
1.2. Средние ЭВМ - имеют быстродействие до 1 млн. операции в сек., развитую конфигурацию ввода-вывода.
1.3Малые ЭВМ - имеют быстродействие до 100 тыс. операций в сек., ограниченный объём оперативной памяти, упрощённую организацию ввода-вывода.
Ёмкость оперативной памяти составляет:
а) для малых ЭВМ - 64_128К.
б) для средних ЭВМ - 256-512К,
в) для больших ЭВМ - 2048_8192К.
2. Проблемно-ориентированные ЭВМ. Предназначены для решения ограниченного круга задач. Подразделяются на:
2.1 Мини-ЭВМ - обладают ограниченными возможностями обработки информации и подключения периферийных устройств. Предназначены для работы в составе управляющих или измерительных вычислительных комплексов в различных режимах. Имеют ограниченный набор команд и довольно высокое быстродействие
2.2 Микро-ЭВМ - однопрограммные ЭВМ с малой ёмкостью ОП, низкой разрядностью средств обработки. Они предназначены для индивидуального применения, либо включения в состав вычислительных комплексов. Ёмкость памяти: 1-8К слов.
2.3 Электронные клавишные вычислительные машины (ЭКВМ). Предназначены для выполнения выбранной группы операций. Они используются в качестве вспомогательного средства в процессе решения задач при непосредственном участии человека. Простейшие ЭКВМ - калькуляторы - обеспечивают выполнение арифметических операций над числами. Наиболее совершенные ЭКВМ дают возможность программировать задачи.
3. Специализированные ЭВМ. Они предназначены для решения определённого класса задач. Подразделяются на:
3.1 Управляющие ЭВМ - предназначены для управления процессами в автоматическом режиме. К ним предъявляются повышенные требования по надёжности и быстродействию Их существенными характеристиками должны быть простота управления, малые габариты, масса и потребляемая мощность.
3.2 Счётные ЭВМ - решают ограниченный круг задач и выполняют только решение систем алгебраических уравнений. Они построены таким образом, что в них реализован определённый ограниченный набор программ.
Рис. 1 Классификация ЭВМ.
1.2. Структура и принцип построения ЭВМ.
Структура ЭВМ представляет собой абстрактную модель, которая устанавливает состав, порядок и принципы взаимодействия основных функциональных частей ЭВМ без учета их реализации.
Электронные вычислительные машины могут отличаться друг от друга конструктивным исполнением, быстродействием, точностью но все они содержат следующие основные функциональные блоки:
1. АЛУ (арифметическо-лсгическое устройство)..
2. УУ (устройство управления).
3. ЗУ (запоминающее устройство).
4. УВв (устройство ввода).
5. УВыв (устройство вывода).
АЛУ и УУ составляют совместно процессор. Процессор - основная масть вычислительной машины, непосредственно
осуществляющая процесс обработки данных и управляющая её работой.
Рис. 2 Структурная схема ЭВМ
1. АЛУ – функциональная часть процессора, выполняющая арифметические и логические операции над кодами чисел и
команд. В состав АЛУ входят сумматор, регистры, логические схемы и элементы управления. Арифметические операции могут выполняться последовательно по разрядам или параллельно,
2. УУ - устройство управления - выполняет функции управления для обеспечения взаимодействия составных частей ЭВМ
Оно предназначено для приёма и интерпретации кода команды, а также выработки последовательности всех функциональных управляющих сигналов для выполнения операций, задаваемых командой. УУ в процессе работы обеспечивает автоматическую обработку цифровой информации в ЭВМ. УУ содержит задающий генератор, который вырабатывает импульсы тактовой частоты, синхронизирующие работу машины
3. ЗУ - предназначено для хранения введённой информации, программы вычислений и промежуточных результатов
вычислений Информация по мере необходимости выводиться из него и передаётся в АЛУ. После выполнения необходимых преобразований она вновь заноситься в память. По назначению ЗУ
подразделяются на:
3.1 Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ),
3.2 Сверхоперативные запоминающие устройства (СОЗУ).
3.3 Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ).
3.4 Внешние запоминающие устройства (ВЗУ).
4. УВв - предназначено для ручного или автоматического ввода, хранения и автоматической записи в память машины исходных данных решаемой задачи, а также программы вычислений. Информация вводиться в ЭВМ с использованием устройств ввода с перфолент, магнитных лент, магнитных дисков и др.
5. УВыв - предназначено для автоматического приёма результатов вычислений, хранения и выдачи этих данных в виде, удобном для дальнейшего использования, результаты вычислении обычно выводятся на печатающее устройство, записываются на магнитную ленту, высвечиваются на экранах и табло пультов и иногда набиваются на перфоленту.
Ранее приведённая структурная схема (рис.2) имеет существенный недостаток, связанный с тем, что управление вводом выводом и выполнение команд осуществлялось общим УУ. то все виды обработки программы на время выполнения операций ввода или вывода прекращались из-за занятости процессора выполнением операции ввода-вывода, что существенно снижало быстродействие.
Для устранения этого недостатка в состав ЭВМ был включен канал ввода-вывода - устройство, обеспечивающее взаимодействие процессора и периферийных устройств. Каналы ввода-вывода обеспечивают независимый доступ к памяти и автономное управление специальными операциями ввода-вывода, т.е. каждый канал представляет собой небольшой специализированный процессор обмена, который выполняет свои функции по вводу и выводу информации параллельно с центральным процессором. Структурная схема такой ЭВМ приведена на рис. З.
Рис. 3 Структурная схема современных ЭВМ общего назначения
