Принципы Джона фон Неймана

История ЭВМ. Поколения ЭВМ. Классификация ЭВМ. Принципы фон Неймана. Классическая архитектура компьютера.

Понятие архитектуры компьютера. Основные компоненты ПК, их назначение и характеристики. Общие принципы функционирования ЭВМ, понятие машинного языка. Обзор внутренних и внешних устройств ПК.

Хакерские утилиты и прочие вредоносные программы

Троянские программы

В данную категорию входят программы, осуществляющие различные несанкционированные пользователем действия: сбор информации и ее передачу злоумышленнику, ее разрушение или злонамеренную модификацию, нарушение работоспособности компьютера, использование ресурсов компьютера в неблаговидных целях.

Отдельные категории троянских программ наносят ущерб удаленным компьютерам и сетям, не нарушая работоспособность зараженного компьютера (например, троянские программы, разработанные для массированных DoS-атак на удалённые ресурсы сети).

К данной категории относятся:

· утилиты автоматизации создания вирусов, червей и троянских программ (конструкторы);

· программные библиотеки, разработанные для создания вредоносного ПО;

· хакерские утилиты скрытия кода зараженных файлов от антивирусной проверки (шифровальщики файлов);

· «злые шутки», затрудняющие работу с компьютером;

· программы, сообщающие пользователю заведомо ложную информацию о своих действиях в системе;

· прочие программы, тем или иным способом намеренно наносящие прямой или косвенный ущерб данному или удалённым компьютерам.

Массовое распространение компьютерных вирусов привело к разработке антивирусных программ, позволяющих обнаруживать и уничтожать вирусы. Программы - фильтры, или «сторожа», постоянно находятся в оперативной памяти. Они «перехватывают» все запросы к операционной системе на выполнение «подозрительных действий», т.е. операции, используемые вирусами для своего размножения и порчи информационных и других системных ресурсов в компьютере. Программы-фильтры не «лечат» файлы или диски.

Программы-ревизоры запоминают исходное состояние программ, каталогов и системных областей диска, когда компьютер еще не был заражен вирусом, а затем сравнивают текущее состояние с исходным.

Программы-доктора (фаги) не только обнаруживают, но и «лечат» зараженные программы или диски.

Программы-детекторы позволяют обнаруживать файлы, зараженные одним или несколькими известными разработчикам программ вирусами.

Программы-вакцины модифицируют программы и диски так, что вирус, от которого произведена вакцинация, считает их зараженными и не внедряется в них.

Функциональные возможности и взаимодействие аппаратурных средств, определяющие общие принципы работы обработки и перемещения данных в компьютере, называют его архитектурой. Архитектура показывает пользователю, какие основные и дополнительные аппаратурно-программные средства компьютера можно привлечь для наиболее эффективной организации вычислительного процесса.

В современных компьютерах архитектуру и производительность определяет так называемая системная или материнская плата. На нее устанавливаются центральный процессор, основная память – оперативное запоминающее устройство ОЗУ, являющееся памятью с произвольным доступом, вспомогательные схемы и слоты – щелевые разъемы, служащие для подключения плат (карт) расширения, с помощью которых с системной платой через внешние разъемы соединяются нужные внутренние и внешние периферийные устройства (ПУ). Внутренние ПУ располагаются в системном блоке, а внешние – вне его. Внешние разъемы карт расширения закрепляются на их боковой металлической скобе. С помощью этой скобы карты расширения устанавливаются в конструкцию системного блока.

В компьютерах IBM PC в виде слотов реализованы следующие шины расширения:

- универсальные шины ISA-8 и ISA-16, служащие для подключения медленных периферийных адаптеров;

- шина EISA – 32-битная шина средней производительности для подключения контролеров дисков и адаптеров локальных сетей в серверах;

- шина PCI, являющаяся самой распространенной высокопроизводительной 32/64-разрядной шиной; она используется для подключения адаптеров дисков, контроллеров системной шины, графических, видео-, коммуникационных и других адаптеров.

Шины кабельного соединения:

- последовательная шина среднего быстродействия, используемая для подключения принтеров, сканеров, различных дисков, цифровых акустических систем;

- интерфейсная шина системного уровня, она обеспечивает высокоскоростное подключение внутренних и внешних периферийных устройств к адаптеру системной платы с помощью ленточного кабеля-шлейфа;

- шина для подключения видеоаппаратуры и объединения компьютеров в сеть.

Центральное место в организации взаимодействия блоков компьютера занимает интерфейс: совокупность унифицированных аппаратурных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации алгоритмов совместной работы различных функциональных устройств компьютера.

К основным характеристикам интерфейса относят: функциональное назначение; технологии и линии связи; принцип обмена информацией; способ обмена; режим обмена; количество линий; число подключаемых устройств.

В архитектуру системной платы входят: процессор, вторичный кэш, системный контроллер, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), собственное коммутируемая шина адреса и данных ОЗУ, коммутаторы данных, высокопроизводительный междушинный мост, устройства шин ISA и PCI, выполняющие функции интегрированных в чипсет адаптеров. Чипсетом называется набор больших интегральных схем, при подключении которых друг к другу формируется сложный функциональный блок компьютера, выполняющий практически все функции вычислительной системы.

Важнейшим из устройств ввода является клавиатура. При нажатии клавиши генерируется связанный с ней код, заносимый в соответствующий буфер памяти, а при ее отпускании – другой код, что позволяет перепрограммировать назначение клавиш, вводя новую таблицу соответствия этих кодов.

Большинство клавиатур имеют стандартные группы клавиш:

- клавиши пишущей машинки – для ввода букв, цифр и других знаков;

- служебные клавиши (переключатели регистров, переходы с латинского шрифта на русский и др.);

- функциональные клавиши F1-F12;

- дополнительные цифровые клавиши для большего удобства в работе.

В состав ПК входит мышь – устройство ввода и управления.

Все чаще с компьютером оказывается сканер – устройство для ввода с листа бумаги документов (текстов, чертежей и др.). Сканеры бывают цветными и монохромными, с разной разрешающей способностью, разным размером обрабатываемых изображений, настольными и ручными.

Не так давно появились средства речевого ввода, которые позволяют пользователю вместо клавиатуры, мыши и других устройств использовать речевые команды (или проговаривать текст, который должен быть занесен в память в виде текстового файла). Возможности таких устройств достаточно ограничены, хотя они постоянно совершенствуются.

Самым популярным из устройств вывода информации является дисплей – устройство визуального отображения текстовой и графической информации. Бывают дисплеи монохромные и цветные. Монохромный дисплей производит отображение в двух цветах – черном и белом, либо зеленом и черном и т.д. Высококачественный цветной дисплей может воспроизводить десятки основных цветов и сотни оттенков. Бывают также дисплеи графические и алфавитно-цифровые. Графический дисплей может отображать как символы, так и любое изображение.

В настоящее время начался промышленный выпуск плазменных дисплеев.

Огромную роль при выводе информации играют печатающие устройства – принтеры. Существуют ударные точечно-матричные принтеры цветной печати. В них используется 4-цветные ленты, и каждая точка изображения формируется четырьмя последовательными ударами иголки разной силы. Таким образом, можно сформировать на бумаге точки всех основных цветов и множества оттенков. Крупнейший производитель точечно-матричных принтеров – фирма «Epson».

Существуют струйные и лазерные принтеры. Достоинство струйных принтеров – меньший уровень шума при работе. Самые высококачественные изображения на бумаге на сегодняшний день дают лазерные принтеры. Лазерный принтер работает почти бесшумно.

К принтерам близки по назначению плоттеры – специализированные устройства для вывода на бумагу чертежей и рисунков. Они необходимы для проектировщика, инженера-конструктора, архитектора.

Своеобразные устройства вывода – синтезаторы звука. Простейшие из них есть в арсенале почти у всех ПК и представляют собой обычный малогабаритный динамик, напряжение сигнала на котором с большой частотой изменяется компьютером. Таким способом удается подать простой звуковой сигнал, указывающий на наступление какого-либо события.

Электронно-вычислительные машины у нас в стране принято делить на поколения. Для компьютерной техники характерна прежде всего быстрота смены поколений - за ее короткую историю развития уже успели смениться четыре поколения и сейчас мы работаем на компьютерах пятого поколения.

Первое поколение ЭВМ (1948 — 1958 гг.)

Элементной базой машин этого поколения были электронные лампы – диоды и триоды. Машины предназначались для решения сравнительно несложных научно-технических задач. К этому поколению ЭВМ можно отнести: МЭСМ, БЭСМ-1, М-1, М-2, М-З, “Стрела”, “Минск-1”, “Урал-1”, “Урал-2”, “Урал-3”, M-20, "Сетунь", БЭСМ-2, "Раздан". Они были значительных размеров, потребляли большую мощность, имели невысокую надежность работы и слабое программное обеспечение. Быстродействие их не превышало 2—3 тысяч операций в секунду, емкость оперативной памяти—2К или 2048 машинных слов (1K=1024) длиной 48 двоичных знаков. В 1958 г. появилась машина M-20 с памятью 4К и быстродействием около 20 тысяч операций в секунду. В машинах первого поколения были реализованы основные логические принципы построения электронно-вычислительных машин и концепции Джона фон Неймана, касающиеся работы ЭВМ по вводимой в память программе и исходным данным (числам).

Второе поколение ЭВМ (1959 — 1967 гг.)

Элементной базой машин этого поколения были полупроводниковые приборы. Машины предназначались для решения различных трудоемких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве. Появление полупроводниковых элементов в электронных схемах существенно увеличило емкость оперативной памяти, надежность и быстродействие ЭВМ. Уменьшились размеры, масса и потребляемая мощность. С появлением машин второго поколения значительно расширилась сфера использования электронной вычислительной техники, главным образом за счет развития программного обеспечения. Появились также специализированные машины, например ЭВМ для решения экономических задач, для управления производственными процессами, системами передачи информации и т.д. К ЭВМ второго поколения относятся:

· ЭВМ М-40, -50 для систем противоракетной обороны;

· Урал -11, -14, -16 - ЭВМ общего назначения, ориентированные на решение инженерно-технических и планово-экономических задач;

· Минск -2, -12, -14 для решения инженерных, научных и конструкторских задач математического и логического характера;

Третье поколение ЭВМ (1968 — 1973 гг.)

Элементная база ЭВМ - малые интегральные схемы (МИС). Машины предназначались для широкого использования в различных областях науки и техники (проведение расчетов, управление производством, подвижными объектами и др.). Благодаря интегральным схемам удалось существенно улучшить технико-эксплуатационные характеристики ЭВМ. Например, машины третьего поколения по сравнению с машинами второго поколения имеют больший объем оперативной памяти, увеличилось быстродействие, повысилась надежность, а потребляемая мощность, занимаемая площадь и масса уменьшились.

К машинам третьего поколения относились "Днепр-2", ЭВМ Единой Системы (ЕС-1010, ЕС-1020, ЕС-1030, ЕС-1040, ЕС-1050, ЕС-1060 и несколько их промежуточных модификаций - ЕС-1021 и др.), МИР-2, "Наири-2" и ряд других.

Четвертое поколение ЭВМ (1974 — 1982 гг.)

Элементная база ЭВМ - большие интегральные схемы (БИС). Машины предназначались для резкого повышения производительности труда в науке, производстве, управлении, здравоохранении, обслуживании и быту. Высокая степень интеграции способствует увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности, что ведет к увеличению быстродействия ЭВМ и снижению ее стоимости. Все это оказывает существенное воздействие на логическую структуру (архитектуру) ЭВМ и на ее программное обеспечение. Более тесной становится связь структуры машины и ее программного обеспечения, особенно операционной системы (или монитора)—набора программ, которые организуют непрерывную работу машины без вмешательства человека.

К этому поколению можно отнести ЭВМ ЕС: ЕС-1015, -1025, -1035, -1045, -1055, -1065 (“Ряд 2”), -1036, -1046, -1066, СМ-1420, -1600, -1700, все персональные ЭВМ (“Электроника МС 0501”, “Электроника-85”, “Искра-226”, ЕС-1840, -1841, -1842 и др.), а также другие типы и модификации.

Классификация ЭВМ

Электронно-вычислительные машины принято классифицировать по целому ряду признаков, в частности: по функциональным возможностям и характеру решаемых задач, принципу действия, назначению, способам организации вычислительного процесса и вычислительной мощности, конструктивным особенностям. Кроме этого, электронно-вычислительные машины (ЭВМ) классифицируются по поколениям.

По способу организации вычислительного процесса ЭВМ подразделяются на многопроцессорные и однопроцессорные, а также параллельные и последовательные.

По уровню специализации ЭВМ выделяют:

· универсальные (общего назначения) ЭВМ;

· проблемно-ориентированные ЭВМ;

· специализированные ЭВМ.

Универсальные ЭВМ предназначены для решения самых разных инженерно-технических задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных.

Проблемно-ориентированные ЭВМ предназначены для решения более узкого круга задач, связанных с регистрацией, накоплением и обработкой небольших объемов данных.

Специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач (микропроцессоры и контроллеры, выполняющие функции управления техническими устройствами).

Персональные компьютеры (ПК) являются наиболее массовыми и широко используемыми ЭВМ. Несмотря на свои небольшие размеры, они вобрали в себя все черты ЭВМ и полностью отражают ее архитектуру и принципы построения. В дальнейшем при рассмотрении аппаратных и программных средств будем вести речь только о персональных компьютерах.

С 1999 года для классификации ПК используется международный сертификационный стандарт – спецификация РС99. В соответствии с этой спецификацией ПК делятся на следующие группы:

· массовые ПК (Consumer PC);

· деловые ПК (Office PC);

· портативные ПК (Mobile PC);

· рабочие станции (WorkStation);

· развлекательные ПК (Entertaiment PC).

Большинство ПК относится к массовым и включают стандартный (минимально необходимый) набор аппаратных средств.

Деловые ПК включают минимум средств воспроизведения графики и звука.

Портативные ПК отличаются наличием средств коммуникации отдаленного доступа.

Рабочие станции отвечают повышенным требованиям к объемам памяти устройств хранения данных.

Развлекательные ПК ориентированы на высококачественное воспроизведение графики и звука.

По конструктивным особенностям ПК классифицируются так:

· стационарные (настольные, Desktop);

· переносимые:

· портативные (Laptop);

· блокнотные (Notebook);

· карманные (Рalmtop).

Наиболее распространенными являются настольные ПК, которые позволяют легко изменять конфигурацию.

Портативные компьютеры удобны для пользования, имеют средства компьютерной связи. Системный блок, монитор и клавиатура портативных ПК размещены в одном корпусе: системный блок находится под клавиатурой, а монитор встроен в крышку.

Карманные модели называют "интеллектуальными" записными книжками, т.к. они позволяют хранить оперативные данные и получать к ним быстрый доступ.

По аппаратной совместимости ПК делятся на:

· iBM PC совместимые;

· apple Macintosh.

1. Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды.

А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды “стоп”. Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека

2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм).

Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, т.е. они могут работать без “счетчика команд”, указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

В основу построения подавляющего большинства ЭВМ положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 году американским ученым венгерского происхождения ДЖОНОМ фон НЕЙМАНОМ.

Дата добавления: 2015-04-24