Функциональная и структурная организация пк. Функциональная и структурная организация компьютера Функции объекта, реализующего обработку данных

Слово «компьютер» означает «вычислитель», т.е. устройство для вычислений. Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно. Многие тысячи лет назад для счета использовались счетные палочки, камешки и. т.д. Более 1500 лет тому назад (а может быть и значительно раньше) для облегчения стали использовать счеты.

Таким образом, попытки автоматизировать вычислительные процессы предпринимались на всех этапах развития человеческой цивилизации.

VI в. до н. э. — Пифагор ввел понятие числа как основу всего сущего на земле.

V в. до н. э. — остров Саламин — первый прибор для счета «абак».

IV в. до н. э. — Аристотель разработал дедуктивную логику.

III в. до н. э. — Диофант Александрийский написал «Арифметику» в 13 книгах.

IX в. — Аль-Хорезми обобщил достижение арабской математики и ввел понятие алгебры.

XV в. — Леонардо да Винчи разработал проект счетной машины для выполнения действий над 12- разрядными числами.

XVI в. — изобретены русские счеты с 10-чной системой счисления.

XVII в. — Англия — логарифмические линейки.

Начало развития технологий вычислительной техники принято считать с Блеза Паскаля, который в 1642г. изобрел устройство, механически выполняющее сложение чисел.

Следующего этапного результата добился выдающийся немецкий математик и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц, высказавший в 1672 году идею механического умножения без последовательного сложения. Уже через год он представил машину, которая позволяла механически выполнять четыре арифметических действия, в Парижскую академию. Машина Лейбница требовала для установки специального стола, так как имела внушительные размеры: 100 ´ 30 ´ 20 сантиметров.

В 1812 году английский математик Чарльз Бэббидж начал работать над так называемой разностной машиной, которая должна была вычислять любые функции, в том числе и тригонометрические, а также составлять таблицы.

Уроженец Эльзаса Карл Томас, основатель и директор двух парижских страховых обществ в 1818 году сконструировал счетную машину, уделив основное внимание технологичности механизма, и назвал ее арифмометром.

В первые десятилетия XX века конструкторы обратили внимание на возможность применения в счетных устройствах новых элементов – электромагнитных реле. В 1941 году немецкий инженер Конрад Цузе, построил вычислительное устройство, работающее на таких реле.

Почти одновременно, в 1943 году, американец Говард Эйкен с помощью работ Бэббиджа на основе техники XX века – электромеханических реле – смог построить на одном из предприятий фирмы IBM легендарный гарвардский «Марк-1» (а позднее еще и «Марк-2»). «Марк-1» имел в длину 15 метров и в высоту 2,5 метра, содержал 800 тысяч деталей, располагал 60 регистрами для констант, 72 запоминающими регистрами для сложения, центральным блоком умножения и деления, мог вычислять элементарные трансцендентные функции. Машина работала с 23-значными десятичными числами и выполняла операции сложения за 0,3 секунды, а умножения – за 3 секунды.

Работа по созданию первой электронновычислительной машины была начата, по-видимому, в 1937 году в США профессором Джоном Атанасовым, болгарином по происхождению. Эта машина была специализированной и предназначалась для решения задач математической физики. В ходе разработок Атанасов создал и запатентовал первые электронные устройства, которые впоследствии применялись довольно широко в первых компьютерах. Полностью проект Атанасова не был завершен, однако через три десятка лет в результате судебного разбирательства профессора признали родоначальником электронной вычислительной техники.

Начиная с 1943 года группа специалистов под руководством Говарда Эйкена, Дж. Моучли и П. Эккерта в США начала конструировать вычислительную машину на основе электронных ламп, а не на электромагнитных реле. Эта машина была названа ENIAC (Electronic Numeral Integrator And Computer) и работала она в тысячу раз быстрее, чем «Марк-1». ENIAC содержал 18 тысяч вакуумных ламп, занимал площадь 9 ´ 15 метров, весил 30 тонн и потреблял мощность 150 киловатт.

В 1945 году к работе над созданием ЭВМ был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этой машине. В этом докладе фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, т.е. компьютеров. Это первая действующая машина, построенная на вакуумных лампах, официально была введена в эксплуатацию 15 февраля 1946 года. Эту машину пытались использовать для решения некоторых задач, подготовленных фон Нейманом и связанных с проектом атомной бомбы. Затем она была перевезена на Абердинский полигон, где работала до 1955 года.

ENIAC стал первым представителем 1-го поколения компьютеров. Любая классификация условна, но большинство специалистов согласилось с тем, что различать поколения следует исходя из той элементной базы, на основе которой строятся машины. Таким образом, первое поколение представляется ламповыми машинами.

Устройство и работа компьютера по «принципу фон Неймана». Отметим важнейшие из них:

машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления;


программа, как и исходные данные, должна размещаться в памяти машины;


программа, как и числа, должна записываться в двоичном коде;


трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует скорости работы логических схем, требуют иерархической организации памяти (то есть выделения оперативной, промежуточной и долговременной памяти);


арифметическое устройство (процессор) конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения; создание специальных устройств для выполнения других арифметических и иных операций нецелесообразно;


в машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над числами производятся одновременно по всем разрядам).


Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 году английским исследователем Морисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 года Джон фон Нейман.


Новые машины первого поколения сменяли друг друга довольно быстро. В 1951 году заработала первая советская электронная вычислительная машина МЭСМ, площадью около 50 квадратных метров.


В 1952 году на свет появилась американская машина EDWAC.


В 1952 году советские конструкторы ввели в эксплуатацию БЭСМ – самую быстродействующую машину в Европе, а в следующем году в СССР начала работать «Стрела» – первая в Европе серийная машина высокого класса. Среди создателей отечественных машин в первую очередь следует назвать имена С.А. Лебедева, Б.Я. Базилевского, И.С. Брука, Б.И. Рамеева, В.А. Мельникова, М.А. Карцева, А.Н. Мямлина. В 50-х годах появились и другие ЭВМ: «Урал», М-2, М-3, БЭСМ2, «Минск1», – которые воплощали в себе все более прогрессивные инженерные решения.


Проекты и реализация машин «Марк–1», EDSAC и EDVAC в Англии и США, МЭСМ в СССР заложили основу для развёртывания работ по созданию ЭВМ вакуумноламповой технологии – серийных ЭВМ первого поколения. Разработка первой электронной серийной машины UNIVAC (Universal Automatic Computer) была начата примерно в 1947 г. Эккертом и Маучли. Первый образец машины (UNIVAC-1) был построен для бюро переписи США и пущен в эксплуатацию весной 1951 г. Синхронная, последовательного действия вычислительная машина UNIVAC-1 создана на базе ЭВМ ENIAC и EDVAC. Работала она с тактовой частотой 2,25 МГц и содержала около 5000 электронных ламп.


По сравнению с США, СССР и Англией развитие электронной вычислительной техники в Японии, ФРГ и Италии задержалось. Первая японская машина «Фуджик» была введена в эксплуатацию в 1956 году, серийное производство ЭВМ в ФРГ началось лишь в 1958 году.


Элементной базой второго поколения стали полупроводники. Без сомнения, транзисторы можно считать одним из наиболее впечатляющих чудес XX века.


Патент на открытие транзистора был выдан в 1948 году американцам Д. Бардину и У.Браттейну, а через восемь лет они вместе с теоретиком В. Шокли стали лауреатами Нобелевской премии..


Первая бортовая ЭВМ для установки на межконтинентальной ракете – «Атлас» – была введена в эксплуатацию в США в 1955 году. В машине использовалось 20 тысяч транзисторов и диодов, она потребляла 4 киловатта.


В 1956 г. фирмой IBM были разработаны плавающие магнитные головки на воздушной подушке. Изобретение их позволило создать новый тип памяти – дисковые запоминающие устройства, значимость которых была в полной мере оценена в последующие десятилетия развития вычислительной техники. Первые запоминающие устройства на дисках появились в машинах IBM-305 и RAMAC.


Первые серийные универсальные ЭВМ на транзисторах были выпущены в 1958 году одновременно в США, ФРГ и Японии.


В Советском Союзе первые безламповые машины «Сетунь», «Раздан» и «Раздан2» были созданы в 19591961 годах. В 60-х годах советские конструкторы разработали около 30 моделей транзисторных компьютеров, большинство которых стали выпускаться серийно. Наиболее мощный из них – «Минск32» выполнял 65 тысяч операций в секунду. Появились целые семейства машин: «Урал», «Минск», БЭСМ.


Рекордсменом среди ЭВМ второго поколения стала БЭСМ6, имевшая быстродействие около миллиона операций в секунду – одна из самых производительных в мире. Архитектура и многие технические решения в этом компьютере были настолько прогрессивными и опережающими свое время, что он успешно использовался почти до нашего времени.


Специально для автоматизации инженерных расчетов в Институте кибернетики Академии наук УССР под руководством академика В.М. Глушкова были разработаны компьютеры МИР (1966) и МИР-2 (1969). Важной особенностью машины МИР-2 явилось использование телевизионного экрана для визуального контроля информации и светового пера, с помощью которого можно было корректировать данные прямо на экране.


Приоритет в изобретении интегральных схем, ставших элементной базой ЭВМ третьего поколения, принадлежит американским ученым Д. Килби и Р. Нойсу, сделавшим это открытие независимо друг от друга. Массовый выпуск интегральных схем начался в 1962 году, а в 1964 начал быстро осуществляться переход от дискретных элементов к интегральным. Упоминавшийся выше ЭНИАК размерами 9 ´ 15 метров в 1971 году мог бы быть собран на пластине в 1,5 квадратных сантиметра. Началось перевоплощение электроники в микроэлектронику.


Несмотря на успехи интегральной техники и появление мини-ЭВМ, в 60-х годах продолжали доминировать большие машины. Таким образом, третье поколение компьютеров, зарождаясь внутри второго, постепенно вырастало из него.


Первая массовая серия машин на интегральных элементах стала выпускаться в 1964 году фирмой IBM. Эта серия, известная под названием IBM-360, оказала значительное влияние на развитие вычислительной техники второй половины 60-х годов. Она объединила целое семейство ЭВМ с широким диапазоном производительности, причем совместимых друг с другом. Последнее означало, что машины стало возможно связывать в комплексы, а также без всяких переделок переносить программы, написанные для одной ЭВМ, на любую другую из этой серии. Таким образом, впервые было выявлено коммерчески выгодное требование стандартизации аппаратного и программного обеспечения ЭВМ.


В СССР первой серийной ЭВМ на интегральных схемах была машина «Наири-3», появившаяся в 1970 году.


Со второй половины 60-х годов Советский Союз совместно со странами СЭВ приступил к разработке семейства универсальных машин, аналогичного системе ibm-360. В 1972 году началось серийное производство стартовой, наименее мощной модели Единой Системы – ЭВМ ЕС-1010, а еще через год – пяти других моделей. Их быстродействие находилась в пределах от десяти тысяч (ЕС-1010) до двух миллионов (ЕС-1060) операций в секунду.


В рамках третьего поколения в США была построена уникальная машина «ИЛЛИАК-4», в составе которой в первоначальном варианте планировалось использовать 256 устройств обработки данных, выполненных на монолитных интегральных схемах.


Начало 70-х годов знаменует переход к компьютерам четвертого поколения – на сверхбольших интегральных схемах (СБИС). Другим признаком ЭВМ нового поколения являются резкие изменения в архитектуре.


Техника четвертого поколения породила качественно новый элемент ЭВМ – микропроцессор. В 1971 году пришли к идее ограничить возможности процессора, заложив в него небольшой набор операций, микропрограммы которых должны быть заранее введены в постоянную память.


Из больших компьютеров четвертого поколения на сверхбольших интегральных схемах особенно выделялись американские машины «Крей-1» и «Крей-2», а также советские модели «Эльбрус-1» и «Эльбрус-2». Первые их образцы появились примерно в одно и то же время – в 1976 году. Все они относятся к категории суперкомпьютеров, так как имеют предельно достижимые для своего времени характеристики и очень высокую стоимость.


В машинах четвертого поколения сделан отход от архитектуры фон Неймана, которая была ведущим признаком подавляющего большинства всех предыдущих компьютеров.


Хотя и персональные компьютеры относятся к ЭВМ 4-го поколения, все же возможность их широкого распространения, несмотря на достижения технологии СБИС, оставалась бы весьма небольшой.


В 1970 году был сделан важный шаг на пути к персональному компьютеру – Маршиан Эдвард Хофф из фирмы Intеl сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большого компьютера. Так появился первый микропроцессор Intеl 4004, который был выпущен в продажу в 1971 г. Это был настоящий прорыв, ибо микропроцессор Intеl 4004 размером менее 3 см был производительнее гигантских машин 1-го поколения. Правда, возможности Intе1 4004 были куда скромнее, чем у центрального процессора больших компьютеров того времени, – он работал гораздо медленнее и мог обрабатывать одновременно только 4 бита информации (процессоры больших компьютеров обрабатывали 16 или 32 бита одновременно), но и стоил он в десятки тысяч раз дешевле. Но рост производительности микропроцессоров не заставил себя ждать.


Первый массовым персональным компьютером был «Altair-8800», созданный в 1974 году небольшой компанией в Альбукерке (штат Нью-Мексико).


В 1981 году появилась первая версия операционной системы для компьютера IBM РС – MS DOS 1.0. В дальнейшем по мере совершенствования компьютеров IВМ РС выпускались и новые версии DOS, учитывающие новые возможности компьютеров и предоставляющие дополнительные удобства пользователю.


В августе 1981 г. новый компьютер под названием «IВМ Personal Computer» был официально представлен публике и вскоре после этого он приобрел большую популярность у пользователей. IBM PC имел 64 Кб оперативной памяти, магнитофон для загрузки/сохранения программ и данных, дисковод и встроенную версию языка BASIС.


Через один – два года компьютер IВМ РС занял ведущее место на рынке, вытеснив модели 8-битовых компьютеров.


Новое поколение микропроцессоров идет на смену предыдущему каждые два года и морально устаревает за 3 – 4 года. Микропроцессор вместе с другими устройствами микроэлектроники позволяют создать довольно экономичные информационные системы.


8 ноября 1993 – выпуск Windows for Workgrounds 3.11. В ней обеспечена более полная совместимость с NetWare и Windows NT; кроме того, в архитектуру ОС внесены многие изменения, направленные на повышение производительности и стабильности и позднее нашедшее применения в Windows 95. Продукт был гораздо более доброжелательно встречен корпоративной Америкой.


В 1993 году появились первые процессоры Pentium с частотой 60 и 66 МГц – это были 32-разрядные процессоры с 64-битной шиной данных.


С того времени эвм развивается огромными темпами. Частота работы процессов уже достигла 3,5 ГГц, а емкость озу порядка 8 Гб.


2.


2.1. Понятие и общая характеристика функциональной структуры компьютера


Разнообразие современных компьютеров очень велико. Но их структуры основаны на общих логических принципах, позволяющих выделить в любом компьютере следующие главные устройства:


память (запоминающее устройство, ЗУ), состоящую из перенумерованных ячеек;


процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ);


устройство ввода;


устройство вывода.


Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация.


Рис. 1. Общая схема компьютера


Функции памяти:


приём информации из других устройств;


запоминание информации;


– выдача информации по запросу в другие устройства машины.


Функции процессора:


обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;


программное управление работой устройств компьютера.


Та часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется устройством управления (УУ).


Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.


В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами.


Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды.


Первым человеком сформулировавшим основные принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, т.е. компьютеров, был знаменитый математик Джон фон Нейман.


Прежде всего, современный компьютер должен иметь следующие устройства:


арифметическо-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;


устройства управления, которое организует процесс выполнения программ;


запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных;


внешние устройства для ввода-вывода информации .


В общих чертах принцип работы компьютера можно описать следующим образом.


Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа. Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команд) программы, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических или логических операций, чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций или запись их результатов в память, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство


Как правило, после выполнения одной команды устройство управления начинает выполнять команду из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему следует продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в некоторой другой ячейке памяти. Такой «скачок», или переход, в программе может выполняться не всегда, а только при выполнении некоторых условий, например, если некоторые числа равны, если в результате предыдущей арифметической операции получился нуль и т.д. Это позволяет использовать одни и те же последовательности команд в программе много раз (т.е. организовывать циклы), выполнять различные последовательности команд в зависимости от выполнения определенных условий и т.д., т.е. создавать сложные программы.


Таким образом, управляющее устройство выполняет инструкции программы автоматически, т.е. вмешательства человека. Оно может обмениваться информацией с оперативной памятью и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства, как правило работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, управляющее устройство может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода-вывода с внешним устройством. Все результаты выполненной программы должны быть ею выведены на внешние устройства компьютера, после чего компьютер переходит к ожиданию каких-либо сигналов внешних устройств.


В современных компьютерах арифметическо-логическое устройство и устройство управления объединены в единое устройство-центральный процессор. Кроме того, процесс выполнения программ может прерываться для выполнения неотложных действий, связанных с поступившими сигналами от внешних устройств компьютера–прерываний.


Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах.


Тем не менее, большинство современных компьютеров в основных чертах соответствуют принципам, изложенным фон Нейманом.


2.2. Структурная организация


Рассмотрим устройство компьютера на примере самой распространенной компьютерной системы - персонального компьютера.


Персональные компьютеры обычно проектируются на основе принципа открытой архитектуры.


Принцип открытой архитектуры заключается в следующем:


регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-изготовителями;


компьютер легко расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних расширительных гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями .


Упрощённая блок-схема, отражающая основные функциональные компоненты компьютерной системы в их взаимосвязи, изображена на рис. 2.






Рис. 2 Общая структура персонального компьютера с подсоединенными периферийными устройствами


Для того, чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера, они должны иметь одинаковый интерфейс (англ. interface от inter - между, и face - лицо).


Интерфейс - это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой.


Если интерфейс является общепринятым, например, утверждённым на уровне международных соглашений, то он называется стандартным.


Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связан с шиной определённого типа - адресной, управляющей или шиной данных.


Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты примерно по такой схеме:






Рис. 3. Схема подключения интерфейсов периферийных устройств


Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.


Порты устройств представляют собой некие электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора.


Портами также называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы).


Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами - побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно.


К последовательному порту обычно подсоединяют медленно действующие или достаточно удалённые устройства, такие, как мышь и модем. К параллельному порту подсоединяют более «быстрые» устройства - принтер и сканер. Через игровой порт подсоединяется джойстик. Клавиатура и монитор подключаются к своим специализированным портам, которые представляют собой просто разъёмы.


Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру процессора, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской (MotherBoard). А контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения (DаughterBoard - дочерняя плата) и подключаются к шине с помощью разъёмов расширения, называемых также слотами расширения (англ. slot - щель, паз).


2.3. Основные блоки компьютера


Любой компьютер, как правило, включает в себя три основных узла (блока):


системный блок;


Монитор (дисплей) для отображения информации;


• клавиатуру для ввода цифро-буквенной информации и команд.
  

  Для удобства управления и используются также манипуляторы типа «мышь» и «джойстик» (последний, в основном для игр).
  

  Из этих частей компьютера системный блок выглядит наименее эффектно, именно он является в нем «главным» В нем располагаются все основные узлы компьютера:
  

  электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессор, оперативная память, контроллеры устройств и т.д.);
  

  блок питания, который преобразует электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;
  

  накопители (или дисководы) для гибких магнитных дисков, используемые для чтения и записи на гибкие магнитные диски (дискеты);
  

  накопитель на жестком магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на несъемный жесткий магнитный диск (винчестер);
  

  другие устройства.
  

  
  

  Рис. 4. Виды системных блоков
  

  Сердцем компьютера, несомненно, является центральный процессор, расположенный на системной плате внутри системного блока. Он представляет собой сверхбольшую интегральную микросхему, состоящую внутри из миллионов транзисторов. Процессор способен выполнять большое количество внешних команд и обрабатывать поступающую в виде электрических сигналов информацию. Для ускорения математических расчетов используется еще одна микросхема – математический сопроцессор, который очень существенно увеличивает скорость выполнения математических операций (вычисление синусов, косинусов, логарифмов и т.д.).
  

  
  

  Рис. 5. Системный блок со снятой крышкой корпуса
  

  Скорость процессора определяется его структурой (схемными решениями), а также внешней тактовой частотой, которая формируется генератором импульсов на системной плате. Системная (материнская) плата – основная плата компьютера, на которой располагаются микропроцессор, ОЗУ, кэш-память, шины, контроллеры.
  

  Для хранения выполняемых программ и исходных данных, для обработки и записи промежуточных и окончательных результатов компьютер имеется оперативная динамическая память (ОЗУ).Именно из нее процессор берет программы и исходные данные для обработки. Название «оперативная» эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору практически не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память При выключении компьютера, перезагрузке, случайных сбоях по питанию все содержимое оперативной памяти стирается. Следовательно, при наборе каких-либо данных, текстов и т.д. надо периодически записывать промежуточные данные на жесткий диск или дискету.
  

  Для ускорения доступа к ОЗУ в современных быстродействующих компьютерах применяется специальная «сверхбыстрая» статическая память, которая называется кэш-памятью и является как бы буфером между очень быстрым процессором и более медленной оперативной памятью.
  

  Для связи процессора и оперативной памяти с внешними устройствами: клавиатурой, монитором, дисководами и др. используются специальные электронные схемы или платы. При этом обмен информацией между оперативной памятью и устройствами (т.е. ввод-вывод) не происходит непосредственно: между любым устройством и оперативной памятью имеются два промежуточных звена:
  

  1. Для каждого устройства имеется своя электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контролером, или адаптером. Некоторые контроллеры (например, контроллер дисков) могут управлять сразу несколькими устройствами)
  

  2. Все контроллеры (адаптеры) взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных (шину) Сейчас большинство выпускаемых компьютеров оснащаются шинами РСI и ISA.
  

  Одним из контролеров, которые присутствуют почти каждом компьютере является контролер портов ввода-вывода, которые бывают следующих типов: параллельные, последовательные, игровые.
  

  Важным элементом компьютера является видеоадаптер (или видеокарта) которая служит для формирования видеосигналов, отображающих информацию на экране монитора. Видеоплата получает от микропроцессора команды по формированию изображения, конструирует это изображение в своей служебной памяти – видеопамяти, и одновременно преобразует содержимое видеопамяти в сигнал, подаваемый на монитор – видеосигнал
  

  Монитор (дисплей) компьютера предназначен для вывода на экран текстовой и графической информации.Современным типом мониторов и соответственно видеоплаты является SVGA.
  

  Для постоянного хранения информации, необходимой во время работы с компьютером используются накопители на жестком диске – винчестеры. На них обычно хранятся программы и файлы операционной системы, различные пакеты программ, редакторы документов, компьютерные игры и многое другое. Также в состав системного блока могут входить: накопители (на лазерных дисках – CD-ROM; внутренний на магнитной ленте– стриммер); звуковая плата для воспроизведения различных звуковых эффектов; внутренний факс-модем; сетевые платы.
  

  Практически каждый компьютер имеет хотя бы один флоппи-дисковод для дискет, которые позволяют переносить документы и программы с одного компьютера на другой. С дискет возможна загрузка операционной системы и различных программ.
  

  Для питания всех ходящих в системный блок устройств имеется мощный импульсный блок питания.
  

  Для того чтобы все электронные и механические устройства могли должным образом взаимодействовать между собой, они должны управляться специальными программами. Программы для внутреннего тестирования монитора (POST – процедура, Power-On-Self-Test), инициализации видеоадаптера и загрузки операционной системы с диска, а также программы выполнения базовых функций по управлению устройствами ввода-вывода хранятся на системной плате в специальной микросхеме – постоянном запоминающем устройстве.
  

  Совокупность этих микропрограмм называется.(BIOS или базовая система ввода-вывода). Для изменения и запоминания параметров конфигурации компьютера в BIOS есть специальная программа настройки конфигурации –SETUP. Сами параметры запоминаются в отдельной микросхеме CMOS-памяти, которая питается от специальной батарейки на системной плате.
  

  Для работы со многими современными программами практически обязательным является использование мыши или иного заменяющего ее устройства, т.е. указательные устройства, так как позволяют указывать на те или иные элементы на экране компьютера.
  

  Мышь – это манипулятор, представляющий небольшую коробочку с несколькими кнопками, легко уменьшающуюся в ладони. При перемещении мыши по поверхности на экране монитора соответственным образом передвигается указатель мыши (обычно– стрелка). Когда необходимо выполнить то или иное действие пользователь нажимает ту или иную кнопку мыши.
  Носситер Дж. Microsoft Exel 2002 –М.: Диалектика, 2003.Организация и использование корпоративных систем ОРГАНИЗАЦИЯ И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ WEB-САЙТОВ

  2014-05-25

Основные блоки ПК и их назначение

Понятие архитектуры и структуры

Архитектура компьютера определяется совокупностью ее свойств, существенных для пользователя. Основное внимание при этом уделяется структуре и функциональным возможностям ПК, которые делят на основные и дополнительные.

Основные функции определяют назначение ЭВМ: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами. Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций: обеспечивают эффективные режимы ее работы, диалог с пользователем, высокую надежность и др. Названные функции ЭВМ реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных средств.

Структура компьютера - это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия, входящих в нее компонентов.

Персональный компьютер - это настольная или переносная ЭВМ, и универсальности применения. Достоинства ми ПК являются:

• 1. малая стоимость, находящаяся в пределах доступности для индивидуального покупателя;
• 2. автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;
• 3. гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;
• 4. «дружественность» операционной системы и прочего программного обеспечения, обусловливающая возможность работы с ней пользователя без специальной профессиональной подготовки;
• 5. высокая надежность работы (более 5 тыс. ч наработки на отказ)

Структура персонального компьютера

Рассмотрим состав и назначение основных блоков ПК применительно к IBM PC-подобным компьютерам, удовлетворяющая требованиям общедоступности.

Микропроцессор (МП). Это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

В состав МП входят:

• 1. устройство управления (УУ) - формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы» - w управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ. Опорную последовательность импульсов УУ получает от генератора тактовых импульсов;
• 2. арифметико-логическое устройство (АЛУ) - предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к. АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессору;
• 3. микропроцессорная память (МПП) - служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего МП. Регистры - быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие);
• 4. интерфейсная система микропроцессора - реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной. Интерфейс (interface) - совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. Порт ввода-вывода (I/O - Input/Output port) - аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК.

Генератор тактовых импульсов. Он генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины.

Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы или просто такт работы машины. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

Системная шина. Это основная интерфейсная система ПК, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Системная шина включает в себя:

• 1. кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;
• 2. кодовую шину адреса (КША), включающую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;
• 3. кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины; шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

• - между микропроцессором и основной памятью;
• - между, микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
• - между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему - контроллер шины, формирующий основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.

Основная память (ОП). Она предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (изменить информацию в ПЗУ нельзя).

ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка ОЗУ следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость).

Внешняя память. Она относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, но наиболее распространенными, имеющимися практически на любом компьютере, являются накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках.

Назначение этих накопителей - хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. Различаются НЖМД и НГМД лишь конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации.

В качестве устройств внешней памяти используются также запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (стримеры), накопители на оптических дисках (CD-ROM - Compact Disk Read Only Memory - компакт-диск с памятью, только читаемой) и др.

Источник питания. Это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.

Таймер. Это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания - аккумулятору и при отключении машины от сети продолжает работать.

Внешние устройства (ВУ). Это важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса. Достаточно сказать, что по стоимости ВУ иногда составляют 50 - 80% всего ПК. От состава и характеристик ВУ во многом зависят возможность и эффективность применения ПК в системах управления и в народном хозяйстве в целом.

ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими ЭВМ. ВУ весьма разнообразны и могут быть классифицированы по ряду признаков. Так, по назначению можно выделить следующие виды ВУ:

• - внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК;
• - диалоговые средства пользователя;
• - устройства ввода информации;
• - устройства вывода информации;
• - средства связи и телекоммуникации.

Диалоговые средства пользователя включают в свой состав видеомониторы (дисплеи), реже пультовые пишущие машинки (принтеры с клавиатурой) и устройства речевого ввода-вывода информации.

Видеомонитор (дисплей) - устройство для отображения вводимой и выводимой из ПК информации.

Устройства речевого ввода-вывода относятся к быстроразвивающимся средствам мультимедиа. Устройства речевого ввода - это различные микрофонные акустические системы, «звуковые мыши», например, со сложным программным обеспечением, позволяющим распознавать произносимые человеком буквы и слова, идентифицировать их и закодировать.

Устройства речевого вывода - это различные синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через громкоговорители (динамики) или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру.

К устройствам ввода информации относятся:

• · клавиатура - устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК;
• · графические планшеты (диджитайзеры) - для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняются считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК;
• · сканеры (читающие автоматы) - для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей; в устройстве кодирования сканера в текстовом режиме считанные символы после сравнения с эталонными контурами специальными программами преобразуются в коды ASCII, а в графическом режиме считанные графики и чертежи преобразуются в последовательности двухмерных координат;
• · манипуляторы (устройства указания): джойстик - рычаг, мышь, трекбол - шар в оправе, световое перо и др. - для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК;
• · сенсорные экраны - для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК.

К устройствам вывода информации относятся:

• · принтеры - печатающие устройства для регистрации информации на бумажный носитель;
• · графопостроители (плоттеры) - для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель; плоттеры бывают векторные с вычерчиванием изображения с помощью пера и растровые: термографические, электростатические, струйные и лазерные. По конструкции плоттеры подразделяются на планшетные и барабанные. Основные характеристики всех плоттеров примерно одинаковые: скорость вычерчивания - 100 - 1000 мм/с, у лучших моделей возможны цветное изображение и передача полутонов; наибольшая разрешающая способность и четкость изображения у лазерных плоттеров, но они самые дорогие.

Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи и т.п.) и для подключения ПК к каналам связи, к другим ЭВМ и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы, «стыки», мультиплексоры передачи данных, модемы).

В частности сетевой адаптер является внешним интерфейсом ПК и служит для подключения его к каналу связи для обмена информацией с другими ЭВМ, для работы в составе вычислительной сети. В глобальных сетях функции сетевого адаптера выполняет модулятор-демодулятор (модем).

Многие из названных выше устройств относятся к условно выделенной группе - средствам мультимедиа.

Средства мультимедиа (multimedia - «многосредовость») - это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и др.

К средствам мультимедиа относятся устройства речевого ввода и вывода информации: широко распространенные уже сейчас сканеры (поскольку они позволяют автоматически вводить в компьютер печатные тексты и рисунки); высококачественные видео - (video-) и звуковые (sound-) платы, платы видеозахвата (videograbber), снимающие изображение с видеомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в ПК; высококачественные акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами. Но, пожалуй, еще с большим основанием к средствам мультимедиа относят внешние запоминающие устройства большой емкости на оптических дисках, часто используемые для записи звуковой и видеоинформации.

Стоимость компактных дисков (CD) при их массовом тиражировании невысокая, а учитывая их большую емкость (650 Мбайт, а новых типов - 1 Гбайт и выше), высокие надежность и долговечность, стоимость хранения информации на CD для пользователя оказывается несравнимо меньшей, нежели на магнитных дисках. Это уже привело к тому, что большинство программных средств самого разного назначения поставляется на CD На компакт-дисках за рубежом организуются обширные базы данных, целые библиотеки; на CD представлены словари, справочники, энциклопедии; обучающие и развивающие программы по общеобразовательным и специальным предметам.

CD широко используются, например, при изучении иностранных языков, правил дорожного движения, бухгалтерского учета, законодательства вообще и налогового законодательства в частности. И все это сопровождается текстами и рисунками, речевой информацией и мультипликацией, музыкой и видео. В чисто бытовом аспекте CD можно использовать для хранения аудио- и видеозаписей, т.е. использовать вместо плейерных аудиокассет и видеокассет. Следует упомянуть, конечно, и о большом количестве программ компьютерных игр, хранимых на CD.

Таким образом, CD-ROM открывает доступ к огромным объемам разнообразной и по функциональному назначению, и по среде воспроизведения информации, записанной на компакт-дисках.

Дополнительные схемы . К системной шине и к МП ПК наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и некоторые дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора: математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.

Математический сопроцессор широко используется для ускоренного выполнения операций над двоичными числами с плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для вычисления некоторых трансцендентных, в том числе тригонометрических, функций. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно (совмещение во времени) с основным МП, но под управлением последнего. Ускорение операций происходит в десятки раз. Модели МП, начиная с МП 80486 DX, включают сопроцессор в свою структуру.

Контроллер прямого доступа к памяти освобождает МП от прямого управления накопителями на магнитных дисках, что существенно повышает эффективное быстродействие ПК. Без этого контроллера обмен данными между ВЗУ И ОЗУ осуществляется через регистр МП, а при его наличии данные непосредственно передаются между ВЗУ и ОЗУ, минуя МП

Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с МП значительно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств (дисплей, принтер, НЖМД НГМД и др.): освобождает МП от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует и режим прямого доступа к памяти.

Важнейшую роль играет в ПК контроллер прерываний.

Прерывание - временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент более важной (приоритетной) программы.

Прерывания возникают при работе компьютера постоянно . Достаточно сказать, что все процедуры ввода-вывода информации выполняются по прерываниям, например, прерывания от таймера возникают и обслуживаются контроллером прерываний 18 раз в секунду (естественно, пользователь их не замечает).

Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в МП. МП, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы. Контроллер прерываний является программируемым.

Любой биологический объект (человек, животное, насекомое) в процессе своей жизнедеятельности должен адекватно реагировать на воздействия со стороны объектов окружающего его мира. Это возможно только при наличии у биологических объектов органов, реализующих необходимые функции работы с информацией (данными) (Рис. 18.1.).

Функции объекта, реализующего обработку данных

Рис. 18.1.

1. 
   Ввод (приём) данных (информации0 от другого объекта;
2. 
   Хранение данных (информации);
3. 
   Обработка данных (информации);
4. 
   Вывод (передача) данных (информации) другому объекту.

Человек создал подобные себе устройства, но не в смысле внешнего вида, а в смысле реализации тех же функций, необходимых для работы с информацией.

18.1. Функции компьютера, как системы обработки данных

Рис. 18.1.1.

На рисунке 18.1.1. представлена схема антиблокировочной системы торможения (АСТ). Очевидно, что управление любым объектом основано на особенностях функционирования этого объекта управления. Управление состоит в том, что объект управления переводится в различные состояния с помощью установленной на компьютере программы управления. Смысл АСТ состоит в том, чтобы колесо автомобиля всегда вращалось. При блокировке колеса возникнет неуправляемое рулём движение автомобиля.

Водитель при торможении нажимает на педаль тормоза. Задача АСТ: не допустить блокировки колеса.

Первая функция (ввод) состоит в том, что аналоговые сигналы от датчика вращения колеса преобразуются в цифровые сигналы (коды) и вводятся в память компьютера. Вторая функция (хранение) состоит в том, что хранимые в памяти коды состояния колеса воспринимаются программой управления. Если код соответствует вращению колеса, система управления «молчит». Если код соответствует состоянию колеса «неподвижность», программа формирует код управления, который выдаётся (функция вывода) на ЦАП. Этот код преобразуется ЦАП в напряжение и воспринимается АСТ как управляющее воздействие «ослабить тормозное усилие». АСТ ослабляет тормозное усилие, и колесо начинает вращаться.

Анализ этой схемы показывает, что компьютер можно рассматривать, как устройство обработки данных, т.к. в этом устройстве реализуются все 4 функции. Однако необходимо отметить, что эти функции реализуются с помощью аппаратных и программных средств. Очевидно, что собственно задача управления электронным микроскопом реализована программой. Аппаратура играет вспомогательную роль. Именно по этой причине говорят об аппаратно- программных управляющих средствах.

На рисунке 18.1.2. представлено более сложное аппаратно-программное средство.

Рис. 18.1.2.

В данной схеме управления электронным микроскопом в контуре управления присутствует человек. Сигналы об исследуемом объекте преобразуются в коды, и выводятся на устройство отображения (дисплей). Человек, рассматривая изображение объекта, может управлять электронным микроскопом, выдавая ему команды: увеличить изображение (приблизить объектив микроскопа к объекту), уменьшить изображение, переместить объектив вправо и т.д. Команды человека преобразуются программой в управляющие коды, которые, в свою очередь, преобразуются ЦАП в сигналы различного напряжения. Сигналы воспринимаются органами управления электронным микроскопом, и он выполняет заданные пользователем команды.

Анализ двух рисунков показывает, что компьютер может функционировать без такого устройства, как дисплей. Дисплей можно рассматривать как устройство отображения, а также как устройство вывода информации. Ввод информации человеком осуществляется с помощью клавиатуры.

Функциональное устройство компьютера: аппаратное средство, реализующее конкретную функцию компьютера.

Магистрально-модульный принцип организации компьютера: все функциональные элементы компьютера соединяются друг с другом с помощью общей (системной) магистрали (шины) и обмениваются друг с другом данными через это функциональное устройство (Рис. 18.1.3.).

Состав системной магистрали:

• 
  шина данных;
• 
  шина адреса;
• 
  шина управления.

Рис. 18.1.3.

Мы уже рассматривали процесс исполнения программы. Процессор должен обратиться к ОП за очередной командой, затем процессор должен обратиться к ОП для выборки операндов и, наконец, процессор должен обратиться к ОП для записи результата выполнения операции над операндами. Если в процессе исполнения программы необходимо выполнить операции вводи или вывода, то только разработчик программы знает момент начала этих операций. Это значит, что в составе системы команд могут быть не только арифметические и логические команды, но и команды управления устройствами. Вывод: первичным источником обмена двух устройств между собой является процессор, который выполняет команду программы. Процессор выдаёт на шину адреса (ША) адреса устройств (абонентов), между которыми должен произойти обмен данными. Абоненты с помощью сигналов управления по шине управления должны согласовать свои действия. Данные, естественно, должны передаваться по шине данных. На рисунке 18.1.4. представлена в обобщённом виде функциональная структура компьютера.

Рис. 18.1.4.

Процессор: функциональное устройство, исполняющее команды программы.

Память компьютера: функциональное устройство, обеспечивающее хранение данных, представленных в электронном виде.

Процессор не обладает функцией хранения. По этой причине, как было уже ранее рассмотрено, процессор постоянно должен обращаться к памяти. В каждом цикле между процессором и памятью происходит обмен 1 словом. Очевидно, что память должна обладать такой же скоростью работы (быстродействием), как и процессор. Были найдены технические элементы, которые обладают быстродействием, близким к быстродействию процессора. Однако эти элементы имеют 2 недостатка. Первый недостаток: хранимые в этой памяти данные пропадают при отключении питания. Второй недостаток относится к сфере экономики: эти устройства достаточно дорогие. Поэтому в современных компьютерах существует 2 уровня памяти. Первый уровень – оперативная память (ОП). Именно только с ней обменивается данными процессор во время исполнения программы.

Память второго уровня составляет жёсткий магнитный диск (ЖМД). Это медленное устройство. Оно обменивается данными с ОП и другими функциональными элементами компьютера. Если проследить развитие персональных компьютеров, то можно видеть постоянный рост объёмов оперативной памяти. Это связано также с экономическим фактором: по мере увеличения выпуска, развития технологий производства элементной базы модули оперативной памяти становятся всё дешевле. Эволюция объёмов ОП: 128 кб, 256 кб, 512 кб, 1 мб, 128 мб, 256 мб, 512 мб, 1 гб, 2 гб и т.д.

В каждом цикле ОП обменивается с процессором 1 словом. В каждом цикле ОП обменивается с ЖМД блоком, состоящим из нескольких слов (Рис. 18.1.5.).

Ядро компьютера: набор функциональных устройств, реализующих функции хранения и обработки. В состав ядра компьютера входят: процессор, оперативная память, ЖМД.

Рис. 18.1.5.

Примечание. Обратите внимание, понятие «ядро компьютера» является функциональным, а не техническим (формальным). Примером формального подхода является разделение памяти на внутреннюю и внешнюю. Внутренней считается оперативная память, внешней - долговременная. Критерием такого разделения является формальная способность устройств памяти хранить информацию после отключения питания. В то же время при этой классификации не объясняются понятия «внутренняя» и «внешняя». Что является тем объектом, по отношению к которому используются эти понятия?

Совет. При введении любой классификации, необходимо чётко определять критерий классификации и все понятия, используемые при описании классификации.

Остальные устройства являются по отношению к ядру устройствами ввода-вывода.

Клавиатура является простейшим устройством ввода в персональном компьютере.

Принтер: устройство вывода данных на бумажный носитель.

Для удобстваработы пользователя в состав персонального компьютера введены графический манипулятор и дисплей.

Графический манипулятор: функциональное устройство, обеспечивающее перемещение графического указателя по экрану дисплея и выдачу программе сигнала на выполнение указанной графическим указателем команды.

Конструктивные реализации графического манипулятора: мышь (mouse), трекбол (trackball), прикосновительная прокладка (touch pad).

Графический указатель: значок, с помощью которого пользователь определяет для программ объект, над которым должна быть выполнена указанная пользователем операция.

Дисплей: функциональное устройство компьютера, обеспечивающее визуальное отображение на экране информации, позволяющей пользователю эффективно использовать возможности компьютера.

Как можно видеть, графический указатель и дисплей не выполняют ни одну из 4-х функций устройства обработки данных.

Привод флоппи-диска: устройство ввода-вывода для обмена данными с внешним носителем данных на базе флоппи-диска (дискеты).

Привод CD -диска: устройство ввода-вывода для обмена данными с внешним носителем данных на базе CD-диска.

Базовая конфигурация персонального компьютера: минимальный набор функциональных устройств, поставляемый покупателю.

Базовый набор меняется в соответствии с технологическими возможностями производителей. В настоящее время в базовую конфигурацию входят: ядро, дисплей, привод CD (DVD) – диска. Привод флоппи-диска уже не всегда поставляется в составе компьютера при продаже.

Модем: устройство ввода-вывода для обмена данными компьютера с каналами аналоговых сигналов (преобразования аналоговых сигналов в дискретные и наоборот).

Магистрально – модульный принцип организации компьютера объединяет функциональный и конструктивный аспекты организации компьютера.

Модуль: функциональный элемент компьютера, реализованный в виде определённой конструкции.

Например, процессор реализован на микросхеме, которая конструктивно оформлена в виде параллелепипеда с множеством контактов для электрического соединения с другими функциональными элементами и вставляется в разъём. Привод CD-диска, DVD-диска, жёсткий магнитный диск выполнены в виде параллелепипедов- коробочек.

Компьютер, как техническая система, должен иметь в своём составе модули, реализующие вспомогательные функции: охлаждение различных устройств (принудительное), защита человека от облучения, соединение всех модулей в виде удобной для установки и переноса конструкции (сборочные элементы).

Каждое функциональное устройство может быть реализовано на различных физических принципах и иметь различное конструктивное исполнение. Сборка компьютера выполняется путём установки и закрепления модулей в сборочных элементах. Ремонт компьютера выполняется на уровне замены модулей.

Сборочные элементы персонального компьютера: системный блок, материнская плата, корпус дисплея, корпус модема.

18.2. Назначение контроллера функционального устройства

В современных персональных компьютерах каждое функциональное устройство компьютера подключается к системной магистрали (Рис. 18.2.1.).

Рис. 18.2.1.

Чтобы можно было управлять функциональным устройством, выдавать ему команды, получать от него информацию о результатах исполнения команд, при необходимости выдавать ему данные или принимать от него данные, между ним и системной магистралью должен происходить обмен сигналами, как управляющими, так и информационными. Естественно, обмен этими сигналами должен происходить по определённым правилам.

Интерфейс: правила взаимодействия между собой технических или программных средств.

В связи с увеличением спроса на компьютеры возникли новые фирмы-разработчики. Результатом их работы стало появление компьютерных платформ и семейств компьютеров с разными интерфейсами у системных магистралей. При этом производители функциональных устройств оказались в сложной ситуации. Им приходилось выпускать разные промышленные изделия, обладающие одинаковыми функциями. Для снижения производственных затрат было найдено следующее решение. Функциональное устройство разделяется на 2 части (Рис. 18.2.2.). Первая часть обладает всеми необходимыми функциями и имеет базовый постоянный интерфейс. Эта часть наиболее сложная и, как правило, определяет стоимость всего функционального устройства. Вторая часть, называемая контроллером , обеспечивает лишь согласование базового аппаратного интерфейса функционального устройства с интерфейсом системной магистрали конкретной компьютерной платформы.

Таким образом, производитель может выпускать одно сложное изделие и несколько простых, которые обеспечивают применение одного сложного устройства в компьютерах с различными интерфейсами системных магистралей.

Рис. 18.2.2.

Применительно к дисплеям эта идея была развита (Рис. 18.2.3.). Контроллер – видеоадаптер (видеоконтроллер) является настолько сложным изделием, что выпускается третьими производителями, но его интерфейс с дисплеями стандартизован. По этой причине производители дисплеев не выпускают видеоконтроллеры.

Лекция. Архитектура современных высокопроизводительных ЭВМ. Функциональная структура компьютера. Основные концепции функционирования. Программное обеспечение компьютера. Основы алгоритмизации.

Устройство ввода

Блок памяти

Арифметико-логическое устройство

Блок вывода

Блок управления

Основные концепции функционирования

Структура шины

Программное обеспечение

Этапы подготовки и решения задач на ЭВМ

Алгоритмы и способы их описания

Функциональная структура компьютера

Как следует из рис. 3.1, компьютер состоит из пяти главных, функционально не­зависимых частей:

устройство ввода,

устройство памяти,

арифметико-логическое устройство,

устройство вывода и

устройство управления.

Устройство ввода при­нимает через цифровые линии связи закодированную информацию от операто­ров, электромеханических устройств типа клавиатуры или от других компьюте­ров сети. Полученная информация либо сохраняется в памяти компьютера для последующего применения, либо немедленно используется арифметическими и логическими схемами для выполнения необходимых операций. Последователь­ность шагов обработки определяется хранящейся в памяти программой. Полу­ченные результаты отправляются обратно, во внешний мир, посредством устрой­ства вывода. Все эти действия координируются блоком управления. На рис. 3.1. намеренно не показаны связи между функциональными устройствами. Объясня­ется это тем, что такие связи могут быть по-разному реализованы. Как именно, вы поймете несколько позже. Арифметические и логические схемы в комплексе с главными управляющими схемами называют процессором, а все вместе взятое оборудование для ввода и вывода часто называют устройством ввода-вывода (input-output unit).

Теперь обратимся к обрабатываемой компьютером информации. Ее удобно разделять на две основные категории: команды и данные. Команды, или машин­ные команды, - это явно заданные инструкции, которые:

Управляют пересылкой информации внутри компьютера, а также между компьютером и его устройствами ввода-вывода;

Определяют подлежащие выполнению арифметические и логические операции.

Список команд, выполняющих некоторую задачу, называется программой. Обыч­но программы хранятся в памяти. Процессор по очереди извлекает команды про­граммы из памяти и реализует определяемые ими операции. Компьютер полно­стью управляется хранимой программой , если не считать возможность внешнего вмешательства оператора и подсоединенных к машине устройств ввода-вывода.

Данные - это числа и закодированные символы, используемые в качестве опе­рандов команд. Однако термин «данные» часто используется для обозначения любой цифровой информации. Согласно этому определению, сама программа (то есть список команд) также может считаться данными, если она обрабатывается другой программой. Примером обработки одной программой другой является компиляция исходной программы, написанной на языке высокого уровня, в список машинных команд, составляющих программу на машинном языке, которая назы­вается объектной программой. Исходная программа поступает на вход компиля­тора, который транслирует ее в программу на машинном языке.

Рис. 3.1. Базовые функциональные устройства компьютера

Информация, предназначенная для обработки компьютером, должна быть зако­дирована, чтобы иметь подходящий для компьютера формат. Современное аппа­ратное обеспечение в большинстве своем основано на цифровых схемах, у которых имеется только два устойчивых состояния, ON и OFF (см. лекцию 2). В ре­зультате кодирования любое число, символ или команда преобразуется в строку двоичных цифр, называемых битами, каждый из которых имеет одно из двух воз­можных значений: 0 или 1. Для представления чисел (как станет ясно из лекции 4) обычно используется позиционная двоичная нотация. Иногда применяется двоич­но-десятичный формат (Binary-Coded Decimal, BCD), в соответствии с которым каждая десятичная цифра кодируется отдельно, с помощью четырех бит.

Буквы и цифры также представляются посредством двоичных кодов. Для них разработано несколько разных схем кодирования. Наиболее распространенными считаются схемы ASCII (American Standard Code for Information Interchange - американский стандартный код для обмена информацией), где каждый символ представлен 7-битовым кодом, и EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Inter­change Code - расширенный двоично-десятичный код для обмена информаци­ей), в котором для кодирования символа используется 8 бит.

Устройство ввода

Компьютер принимает кодированную информацию через устройство ввода, зада­чей которого является чтение данных. Наиболее распространенным устройством ввода является клавиатура. Когда пользователь нажимает клавишу, соответст­вующая буква или цифра автоматически преобразуется в определенный двоич­ный код и по кабелю пересылается либо в память, либо процессору.

Существует и ряд других устройств ввода, среди которых джойстики, трекболы и мыши. Они используются совместно с дисплеем в качестве графических входных устройств. Для ввода звука могут использоваться микрофоны. Воспри­нимаемые ими звуковые колебания измеряются и конвертируются в цифровые коды для хранения и обработки.

Блок памяти

Задачей блока памяти является хранение программ и данных. Существует два класса запоминающих устройств, а именно первичные и вторичные. Первичное за­поминающее устройство (primary storage) - это память, быстродействие которой определяется скоростью работы электронных схем. Пока программа выполняет­ся, она должна храниться в первичной памяти. Эта память состоит из большого количества полупроводниковых ячеек, каждая из которых может хранить один бит информации. Ячейки редко считываются по отдельности - обычно они обра­батываются группами фиксированного размера, называемыми словами. Память организована так, что содержимое одного слова, содержащего n бит, может запи­сываться или считываться за одну базовую операцию.

Для облегчения доступа к словам в памяти с каждым словом связывается от­дельный адрес. Адреса - это числа, идентифицирующие конкретные местополо­жения слов в памяти. Для того чтобы прочитать слово из памяти или записать его в таковую, необходимо указать его адрес и задать управляющую команду, которая начнет соответствующую операцию.

Количество битов в каждом слове часто называют длиной машинного слова. Обычно слово имеет длину от 16 до 64 бит. Одним из факторов, характеризую­щих класс компьютера, является емкость его памяти. Малые машины обычно мо­гут хранить лишь несколько десятков миллионов слов, тогда как средние и боль­шие машины обычно способны хранить сотни миллионов и миллиарды слов. Типичными еди­ницами измерения количества обрабатываемых машиной данных являются слово, несколько слов или часть слова. Как правило, за время одного обращения к памя­ти считывается или записывается только одно слово.

Во время выполнения программа должна находиться в памяти. Команды и дан­ные должны записываться в память и считываться из памяти под управлением процессора. Исключительно важна возможность предельно быстрого доступа к лю­бому слову памяти. Память, к любой точке которой можно получить доступ за ко­роткое и фиксированное время, называется памятью с произвольным доступом (Random-Access Memory, RAM). Время, необходимое для доступа к одному слову, называется временем доступа к памяти. Это время всегда одинаково, независимо от того, где располагается нужное слово. Время доступа к памяти в современных устройствах RAM составляет от нескольких наносекунд до 100. Память компьюте­ра обычно представляет собой иерархическую структуру, состоящую из трех или четырех уровней полупроводниковых RAM-элементов с различной скоростью и разным размером. Наиболее быстродействующим типом RAM-памяти является кэш-память (или просто кэш). Она напрямую связана с процессором и часто нахо­дится на одном с ним интегрированном чипе, благодаря чему работа процессора значительно ускоряется. Память большей емкости, но менее быстрая, называется основной памятью (main memory). Далее в этой лекции процесс доступа к информа­ции в памяти описывается подробнее, а позднее мы детально рассмотрим прин­ципы ее функционирования и вопросы, связанные с производительностью.

Первичные запоминающие устройства являются исключительно важными компонентами для компьютера, но они довольно дороги. Поэтому компьютеры оборудуются дополнительными, более дешевыми вторичными запоминающими устройствами, используемыми для хранения больших объемов данных и боль­шого количества программ. В настоящее время таких устройств имеется доста­точно много. Но наиболее широкое распространение получили магнитные диски, магнитные ленты и оптические диски (CD-ROM).

Схема ЭВМ, отвечающая программному принципу управления, логично вытекает из последовательного характера преобразований, выполняемых человеком по некоторому алгоритму (программе). Обобщенная структурная схема ЭВМ первых поколений представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 Структурная схема ЭВМ первых поколений

В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации (УВв), с помощью которых пользователи вводят в ЭВМ программы решаемых задач и данные к ним. Введенная информация полностью или частично сначала запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длительного хранения информации, где преобразуется в специальный информационный объект − файл.

Файл – идентифицированная совокупность экземпляров полностью описанного в конкретной программе типа данных, находящихся вне программы во внешней памяти и доступных программе посредством специальных операций.

При использовании файла в вычислительном процессе его содержимое переносится в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в устройство управления.

Устройство управления (УУ) предназначается для автоматического выполнения программ путем принудительной координации всех остальных устройств ЭВМ. Цепи сигналов управления показаны на рисунке 2.1 штриховыми линиями. Вызываемые из ОЗУ команды дешифрируются устройством управления: определяют код операции, которую необходимо выполнить следующей, и адреса операндов, принимающих участие в данной операции.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др. Он каждый раз перестраивается на выполнение очередной операции. Результаты выполнения отдельных операций сохраняются для последующего использования на одном из регистров АЛУ или записываются в память.

В качестве устройств вывода (УВыв) могут использоваться экран дисплея, принтер, графопостроитель и др.

Современные ЭВМ имеют достаточно развитые системы машинных операций.

Например, ЭВМ типа IBM PC имеют несколько сотен различных операций (их количество зависит от типа микропроцессора). Любая операция в ЭВМ выполняется по определенной микропрограмме, реализуемой в схемах АЛУ соответствующей последовательностью сигналов управления (микрокоманд). Каждая отдельная микрокоманда – это простейшее элементарное преобразование данных типа алгебраического сложения, сдвига, перезаписи информации и т.п.

Уже в первых ЭВМ для увеличения их производительности широко применялось совмещение операций. При этом последовательные фазы выполнения отдельных команд программы (формирование адресов операндов, выборка операндов, выполнение операции, отсылка результата) выполнялись отдельными функциональными блоками. В своей работе они образовывали своеобразный конвейер, а их параллельная работа позволяла обрабатывать различные фазы целого блока команд.

Этот принцип получил дальнейшее развитие в ЭВМ следующих поколений. Но все же первые ЭВМ имели очень сильную централизацию управления, единые стандарты форматов команд и данных, «жесткое» построение циклов выполнения отдельных операций, что во многом объясняет ограниченные возможности используемой в них элементной базы. Центральное УУ обслуживало не только вычислительные операции, но и операции ввода-вывода, пересылок данных между ЗУ и др. Все это позволяло в какой-то степени упростить аппаратуру ЭВМ, но сильно сдерживало рост их производительности.

В ЭВМ третьего поколения произошло усложнение структуры за счет разделения процессов ввода-вывода информации и процесса ее обработки.

Тесно связанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор .

В схеме ЭВМ появились дополнительные устройства, которые имели такие названия: процессоры ввода-вывода, устройство управления обменом информацией, канал ввода-вывода. Последнее получило наибольшее распространение применительно к большим ЭВМ. Здесь наметилась тенденция к децентрализации управления и параллельной работе отдельных устройств, что позволило резко повысить быстродействие ЭВМ в целом.

Среди каналов ввода-вывода выделяли мультиплексные каналы, способные обслуживать большое количество медленно работающих устройств ввода-вывода, и селекторные каналы, обслуживающие в многоканальных режимах скоростные внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

В персональных компьютерах, относящихся к ЭВМ четвертого поколения, произошло дальнейшее изменение структуры (рисунок 2.2). Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания. Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее еще более децентрализованной.

Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ.

Рисунок 2.2 Структурная схема ПК

Ядро ПК образуют процессор, основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), и видеопамять.

ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения наиболее часто используемых программ управления.

Подключение всех внешних устройств (ВнУ), дисплея, клавиатуры, внешних ЗУ и др., обеспечивается через соответствующие адаптеры – согласователи скоростей работы сопрягаемых устройств или контроллеры – специальные устройства управления периферийной аппаратурой. Контроллеры в ПК играют роль каналов ввода-вывода. В качестве особых устройств следует выделить таймер – устройство измерения времени и контроллер прямого доступа к памяти (КПД) – устройство, обеспечивающее доступ к ОП, минуя процессор.

Способ формирования структуры ПК является достаточно логичным и естественным стандартом для данного класса ЭВМ.

Центральное место в структуре ПК занимает шина. Шина – это общий канал связи, используемый для обмена информацией между устройствами компьютера. В первых ПК она была представлена просто набором проводников, предназначенных для передачи данных, адресов, питания и сигналов управления. По мере развития вычислительной техники, усложнения структуры компьютеров, увеличения быстродействия устройств и объемов пересылаемых данных, насыщения периферии разнообразными устройствами, в том числе и мультимедийными, единственная шина уже не могла обеспечить эффективной работы.

В современных ПК канал взаимодействия устройств компьютера представлен объединением большого количества шин, работающих в соответствии со старыми и новыми стандартами. Сохранение старых стандартов обеспечивает совместимость, то есть возможность работы с традиционными устройствами, подключаемыми к COM- и LPT-портам.

Организацию согласованной работы шин и устройств выполняют микросхемы системной логики, называемые чипсетом (Chipset).

Большинство наборов микросхем системной логики имеют ярко выраженную иерархическую структуру построения, отвечающую уровням высокоскоростных и низкоскоростных устройств ввода-вывода данных. Для последних микропроцессоров Pentium используется так называемая Hub-структура чипсета. При этом слово «hub» можно в равной степени понимать как коммутатор (устройство для соединения отдельных входов с определенными выходами) или концентратор (устройство, согласующее высокоскоростные каналы с менее скоростными).

В структуре чипсета за работу высокоскоростных устройств ядра компьютера отвечает North Bridge, NB – северный мост (в некоторых наборах, например Intel 820, его называют Memory Controller Hub, MCH – контроллер памяти, он же и графический контроллер для управления видеосистемой через ускоренный графический порт Accelerated Graphics Port, AGP). Каналы передачи данных между процессором или двумя процессорами, видеопамятью и оперативной памятью имеют пропускную способность более 1 Гбайт/с.

Низкоскоростными устройствами ввода-вывода данных управляет South Bridge, SB (южный мост). В наборе Intel 820 он называется I/O Controller Hub – контроллер, обслуживающий низкоскоростные устройства ввода-вывода. Именно этот порт согласовывает стандарты обмена данными по различным шинам.

История развития вычислительной техники показала, что самым узким местом ЭВМ является связь «процессор-память». Быстродействие памяти во многом определяет общую скорость последовательных вычислений. Поэтому мощность самых новейших микропроцессоров используется лишь на 25-30 %.

С точки зрения пользователя, желательно иметь в ЭВМ оперативную память большой емкости и высокого быстродействия. Однако одноуровневое построение памяти не позволяет одновременно удовлетворить этим двум противоречивым требованиям.

Поэтому память современных ЭВМ строится по многоуровневому, пирамидальному принципу.

В составе процессоров имеется сверхоперативное запоминающее устройство небольшой емкости, образованное несколькими десятками регистров с быстрым временем доступа, составляющим один такт процессора (наносекунды, нс). Здесь обычно хранятся данные, непосредственно участвующие в обработке.

Следующий уровень образует кэш-память , или память блокнотного типа. Она представляет собой буферное запоминающее устройство, предназначенное для хранения активных страниц объемом десятки и сотни Кбайт. Кэш-память, как более быстродействующая, предназначается для ускорения выборки команд программы и обрабатываемых данных. Здесь возможна ассоциативная выборка данных.

Основной объем программ пользователей и данных к ним размещается в оперативном запоминающем устройстве (емкость – миллионы машинных слов, время выборки – до 20 тактов процессора).

Часть машинных программ и наиболее часто используемых констант, обеспечивающих автоматическое управление вычислениями, может размещаться в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ).

На более низких уровнях иерархии находятся внешние запоминающие устройства на магнитных носителях: на жестких и гибких магнитных дисках, магнитных лентах, магнитооптических дисках и др. Их отличает более низкое быстродействие и очень большая емкость.

Организация заблаговременного обмена информационными потоками между ЗУ различных уровней при децентрализованном управлении ими позволяет рассматривать иерархию памяти как абстрактную единую виртуальную (кажущуюся) память. Согласованная работа всех уровней обеспечивается под управлением программ операционной системы. Пользователь имеет возможность работы с памятью, намного превышающей емкость ОЗУ.

Похожая информация.