АРХИТЕКТУРА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА. НАЗНАЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПЬЮТЕРА
Компьютер - это многофункциональное электронное устройство, предназначенное для накопления, обработки и передач» информации. Под архитектурой персонального компьютера понимается его логическая организация, структура и ресурсы, т. е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени.
В основу построения большинства компьютеров положены принципы, сформулированные Джоном фон Нейманом.
- Принцип программного управления - программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
- Принцип однородности памяти - программы и иные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять те же действия, что и над данными!
- Принцип адресности - основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек.
Компьютеры, построенные на этих принципах, имеют классическую архитектуру.
Архитектура компьютера определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение сновных логических узлов компьютера, к которым относятся:
- центральный процессор;
- основная память;
- внешняя память;
- периферийные устройства.
Конструктивно персональные компьютеры выполнены в виде центрального системного блока, к которому через специальные разъемы присоединяются другие устройства. В состав системного блока входят все основные узлы компьютера:
- системная плата;
- блок питания;
- накопитель на жестком магнитном диске;
- накопитель на гибком магнитном диске;
- накопитель на оптическом диске;
- разъемы для дополнительных устройств.
На системной (материнской) плате в свою очередь размещаются:
- микропроцессор;
- математический сопроцессор;
- генератор тактовых импульсов;
- микросхемы памяти;
- контроллеры внешних устройств;
- звуковая и видеокарты;
- таймер.
Архитектура современных персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе. Модульный принцип позволяет пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный принцип обмена информацией. Все контроллеры устройств взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, называемую системной шиной. Системная шина выполняется в виде печатного мостика на материнской плате.
Микропроцессор - это центральный блок персонального компьютера, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.
Системная шина является основной интерфейсной системой компьютера, обеспечивающей сопряжение и связь всех его устройств между собой. 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.
Порты ввода-вывода всех устройств через соответствующие разъемы (слоты) подключаются к шине либо непосредственно, либо через специальные контроллеры (адаптеры).
Основная памят ь предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками компьютера.
Внешняя памят ь используется для долговременного хранения информации, которая может быть в дальнейшем использована для решения задач. Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических символов, частота которых задает тактовую частоту компьютера. Промежуток времени между соседними импульсами определяет такт работы машины.
Источник питания - это блок, содержащий системы автономного и сетевого питания компьютера.
Таймер - это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие автоматический съем текущего момента времени. Таймер подключается к автономному источнику питания и при отключении компьютера от сети продолжает работать.
Внешние устройства компьютера обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими компьютерами.
Основными функциональными характеристиками персонального компьютера являются:
- производительность, быстродействие, тактовая частота. Производительность современных ЭВМ измеряют обычно в миллионах операций в секунду;
- разрядность микропроцессора и кодовых шин интерфейса. Разрядность - это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК;
- типы системного и локальных интерфейсов. Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды;
- емкость оперативной памяти. Емкость оперативной памяти измеряется обычно в Мбайтах. Многие современные прикладные программы с оперативной памятью, имеющей емкость меньше 16 Мбайт, просто не работают либо работают, но очень медленно;
- емкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера). Емкость винчестера измеряется обычно в Гбайтах;
- тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках. Сейчас применяются накопители на гибких магнитных дисках, использующие дискеты диаметром 3,5 дюйма, имеющие стандартную емкость 1,44 Мб;
- наличие, виды и емкость кэш-памяти. Кэш-память - это буферная, недоступная для пользователя быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Наличие кэш-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность персонального компьютера примерно на 20%;
- тип видеомонитора и видеоадаптера;
- наличие и тип принтера;
- наличие и тип накопителя на компакт дисках CD-ROM;
- наличие и тип модема;
- наличие и виды мультимедийных аудиовидео-средств;
- имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы;
- аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ. Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ означает возможность использования на компьютере, соответственно, тех же технических элементов и программного обеспечения, что и на других типах машин;
- возможность работы в вычислительной сети;
- возможность работы в многозадачном режиме. Многозадачный режим позволяет выполнять вычисления одновременно по нескольким программам (много программный режим) или для нескольких пользователей (многопользовательский режим);
- надежность. Надежность - это способность системы выполнять полностью и правильно все заданные ей функции;
- стоимость;
- габаритами вес.
структура вычислительных систем.
Персональный компьютер является устройством автоматизации информационных процессов и используется для накопления, обработки и передачи информации.
Рассмотрим устройство наиболее распространенного типа компьютера - настольного персонального (мы рассматриваем компьютеры фирмы IBM (International Bussines Machines Corporation) и IBM-совместимые компьютеры, которые в мировом масштабе использует большинство людей в своей практической деятельности; именно для этих компьютеров используется операционная система Windows фирмы Microsoft).
Технические средства или аппаратура компьютера в английском языке обозначаются словом «Hardware», которое буквально переводится как «твердые изделия» или «железо».
2.1. Архитектура персонального компьютера
Описание компьютера на некотором общем уровне называется его архитектурой. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативной памяти, внешних запоминающих и периферийных устройств. Различают однопроцессорную и многопроцессорную архитектуры компьютера.
В 1941 г. Джон фон Нейман изложил принципы работы и обосновал принципиальную схему компьютера с классической однопроцессорной архитектурой, в соответствии с которой компьютер должен иметь следующие устройства:
арифметическо-логической устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции;
устройство управления (УУ), организующее процесс выполнения программы;
запоминающее устройство (оперативная память (ОП)) для хранения программ и данных;
внешнее устройство (ВУ) для ввода и вывода информации.
Принципиальная схема компьютера с классической архитектурой приведена на рис.2.1.
Рис. 2.1 Принципиальная схема компьютера с классической архитектурой:
управляющие связи
информационные связи
К однопроцессорной архитектуре относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной (рис.2.2). Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью, или системной шиной.
Основа компьютера - процессор, в нем расположены АЛУ и УУ. АЛУ осуществляет непосредственную обработку данных, а УУ координирует взаимодействие различных частей компьютера. В запоминающем устройстве (памяти ) в закодированном виде хранится информация (та, которая вводится в компьютер, и та, которая возникает в процессе работы). Компьютер имеет внешнее запоминающее устройство (внешнюю память).
В процессе работы процессор и память взаимодействуют между собой, но процессор, кроме того, организует работу остальных устройств компьютера: клавиатуры, дисплея, дисководов и т.д. Эти устройства осуществляют связь компьютера с внешним миром, поэтому называются внешними.
Процессор, выполняя определенную программу, координирует работу внешних устройств, посылая им и принимая от них информацию. Информация при этом передается в виде электрических импульсов двух видов - низкого и высокого напряжения. Тем самым информация в компьютере кодируется двумя символами: 0 и 1.
Процессор связан с внешними устройствами через магистраль (системную шину ). По сути, это пучок проводов. К шине параллельно подсоединены все внешние устройства, как к телефонному кабелю. Обращение процессора к внешнему устройству похоже на вызов абонента по телефону. Все устройствапронумерованы. Когда нужно обратиться к внешнему устройству, в шину посылается его номер.
Каждое внешнее устройство снабжено специальным приемником сигналов - контроллером. Контроллер играет роль телефонного аппарата - он принимает сигнал от процессора и дешифрует его.
Процессор подает команду, но ему безразлично, как она будет выполняться, поскольку за это отвечает контроллер соответствующего внешнего устройства. Поэтому при наличии соответствующих контроллеров одни внешние устройства можно заменять на другие.
В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип построения.
Персональный компьютер напоминает обыкновенный конструктор. Схемы, управляющие всеми устройствами (монитором, дисками, принтером, модемом и т.д.), реализованы на отдельных платах, которые вставляются в слоты - стандартные разъемы системной платы. Весь компьютер питается от единого блока питания. Этот принцип, названный принципом открытой архитектуры, наряду с другими достоинствами обеспечил большой спрос на персональные компьютеры.
Рис. 3. Расположение основных устройств, входящих в состав ПК.
Архитектура ПК
Основная компоновка частей компьютера и связь между ними называется архитектурой Персонального Компьютера (ПК). При описании архитектуры ПК определяется состав компонентов, входящих в неё, их функции и характеристики.
Центром работы компьютера является системный блок, который в свою очередь подразделяется на:
· Центральный процессор;
· Оперативное запоминающее устройство:
· Системная плата;
· Видеокарта;
· Корпус;
· Блок питания;
· Жёсткий диск;
· Оптический привод.
Об этих устройствах сейчас и пойдет речь.
Центральный процессор
Центральный процессор (ЦП, ЦПУ, CPU) - электронный блок или микросхема, главная часть аппаратного обеспечения. Он управляет работой всех узлов компьютера и программой, описывающей алгоритмы. ЦП переводит всю обрабатываемую информацию в цифровую, т.е. более понятную для него. Физически, - это маленькая электронная схема на материнской плате, выполняющая все вычисления и обработку информации. Процессор работает с высокой скоростью и может выполнить десятки или даже сотни миллионов операций в секунду. Его можно представить в виде следующих основных узлов:
· устройство управления, предназначенное для дешифрования и исполнения команд;
· рабочие регистры, необходимые для адресации памяти и выполнения вычислительных операций;
· арифметико-логическое устройство, выполняет логические и арифметические операции;
· управление вводом - выводом, ввод-вывод данных в процессор или из процессора;
Процессор работает с командами, которым предписывается действие, выполняемое процессором. Любая программа, выполняемая процессором, состоит из множества различных команд.
Рассмотрим вкратце формат команды. Информация в компьютере хранится в виде двоичного кода, составленного из последовательностей 0 и 1. Эти последовательности имеют разрядность кратную 8, т.е. 8 - разрядные, 16 - разрядные, 32 - разрядные и т.д. 0 или 1 в такой последовательности носит название бит . Соответственно:
8 бит = 1 байту;
16 бит = 1 машинному слову;
32 бита = двойному машинному слову.
В компьютере объём информации определяется в следующих величинах:
1024 байт = 1 килобайту (Кб);
1024 Кб = 1 мегабайту (Мб);
1024 Мб = 1 гигабайту (ГБ);
1024 Гб = 1 терабайту (Тб).
Процессор работает с оперативной памятью, так как в ней хранятся данные, необходимые процессору для работы. Также в оперативную память процессор помещает результаты своих вычислений перед окончательным сохранением в
долговременной памяти компьютера.
Системная плата
Системная плата (Материнская плата, Motherboard) - плата, соединяющая на себе устройства компьютера. Важной функцией материнской памяти является то, что она несёт на себе микросхему BIOS, в которую записана информация о конфигурации компьютера и информация о начальной загрузке компьютера.
На материнской плате располагается множество различных устройств, таких как:
· Центральный процессор;
· Микросхема BIOS;
· Чипсет (южный и северный мосты);
· Слот AGP;
· Слоты PCI;
· Разъёмы IDE;
· Разъёмы SATA:
· Контроллеры SATA;
· Разъёмы для подключения USB-устройств или дополнительных USB-портов;
· Разъём для подключения кнопок лицевой панели системного блока;
· Звуковая плата;
· Порты PS 2 для клавиатуры и мыши.
А теперь подробнее об этих устройствах.
BIOS - Basic Input/Output System
BIOS (Basic Input/Output System) - базовая система ввода-вывода - часть системного ПО, предназначенная для обеспечения операционной системе доступа к аппаратуре компьютера и подключенным к нему устройствам. В BIOS зашита конфигурация компьютера и программа его начальной загрузки. При включении питания компьютера BIOS инициализирует устройства, которые подключены к материнской плате, проверяет их работоспособность. Если всё нормально, то BIOS ищет загрузчик на носителях информации, таких как, например, жёсткий диск. После загрузчик предаёт управление операционной системе. В новых материнских платах может быть 2 микросхемы, что повышает устойчивость BIOS.
Чипсет - набор микросхем, выполняющих набор каких-либо функций. В компьютерах чипсет размещается на материнской плате и выполняет роль компонента, обеспечивающего совместное функционирование подсистем памяти, ЦП, ввода-вывода и других. Чипсет современных материнских плат компьютеров состоит из двух основных микросхем. Это Северный и Южный мосты.
Северный мост (контроллер-концентратор памяти) - обеспечивает взаимодействие процессора с памятью. С ЦП соединяется высокоскоростной шиной. Также он осуществляет передачу команд процессора к оперативной памяти, преобразование этих команд в формат, необходимый для обращения к конкретной группе ячеек оперативной памяти. Именно контроллер оперативной памяти является ответственным элементом за все операции, которые производит процессор с оперативной памятью. Контроллер динамической оперативной памяти состоит из таких элементов:
· устройство управления;
· устройство записи;
· устройство считывания;
· дешифратор строк;
· дешифратор столбцов;
Интерфейс системной шины - отвечает за взаимодействие процессора с остальными устройствами, подключенными к северному мосту, а именно: с оперативной памятью, видеокартой и южным мостом.
В состав северного моста может входить либо графический процессор, либо контроллер шины AGP , либо и то и другое вместе. Графический процессор выполняет функции видеокарты, но его возможности по сравнению видеокартой значительно ниже. Контроллер шины AGP предназначен для взаимодействия видеокарты с процессором и оперативной памятью. Процессор выдаёт команды на выведение графической информации, контроллер системной шины передаёт эти команды в контроллер шины AGP и затем по шине AGP данные поступают на видеокарту, при помощи своего графического процессора выполняет вывод графической информации на монитор.
В настоящее время шина AGP и видеокарты для разъёмов AGP уже устарели. На смену им пришёл новый интерфейс PCI-E, который получил развитие на базе шины PCI.
Роль северного моста в компьютерной системе весьма значительна. Ведь именно он определяет, какой процессор, какая динамическая оперативная память и какая графическая система будут установлены в компьютере. Северный мост входит в ряд сложных электронных устройств, в составе которого может находиться несколько сот миллионов элементарных транзисторов. Значит, тепловыделение может быть весьма значительным, что влияет на стабильность работы северного моста. Именно поэтому он практически всегда имеет встроенный радиатор для охлаждения, зачастую с кулером.
Южный мост (контроллер-концентратор ввода-вывода) - это микросхема, связывающая "медленные" взаимодействия на материнской плате с ЦП через северный мост, который, в отличие от южного, подключён напрямую к процессору. Он отвечает за управление устройств ввода-вывода с более быстродействующими устройствами, установленными на северный мост: процессором, оперативной памятью и видеокартой. Поэтому функцией южного моста является передача необходимых данных и сигналов управления устройству, подключенному к нему от процессора, оперативной памяти или видеокарты.
В зависимости от исполнения, в состав южного моста могут входить звуковой, сетевой, USB контроллеры. Современные южные мосты поддерживают шину PCI-Express.
PCI-E (PCI-Express) - это компьютерная шина, которая использует программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол, основанный на последовательной передаче данных. Шина PCI-E практически вытеснила интерфейс и шину AGP. На современных платах число разъёмов PCI-E может доходить до трёх. А из этого следует, что можно использовать две или три видеокарты.
Одним из важнейших устройств не только самого южного моста, но и компьютера в целом, является контроллер прерываний . Его основной функцией является передача процессору сигнала от периферийного устройства, с тем, чтобы процессор обработал информацию от этого устройства.
Также не менее важным является контроллер прямого доступа к памяти или контроллер DMA . Его использование позволяет достичь в некоторых случаях заметного быстродействия. Все взаимодействия в компьютере происходят через центральный процессор. Если между двумя устройствами должен произойти обмен данными, то центральный процессор сначала считывает данные от первого устройства, а затем передаёт эти данные другому устройству.
Суть режима DMA состоит в том, что устройства, между которыми происходит обмен информацией, информируют процессор о выбранном режиме, и о занятии шины, по которой будет происходить обмен.
архитектура персональный компьютер видеокарта
Контроллер шины SMbus отвечает за шину, задачами которой являются вспомогательные функции, такие как, например, контроль за температурой корпуса центрального процессора.
Управление питанием служит для снижения энергопотребления компьютерной системы в целом. Это позволяет экономить ресурсы. Если включен один компьютер, то это не так заметно. А если целая сеть, то экономия
электричества будет ощутима. Современные компьютеры включают режим
сниженного энергопотребления, когда на них никто не работает, но
остаются включенными.
USB (Universal Serial Bus)
USB (универсальная последовательная шина) - последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств в вычислительной технике. Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырёхпроводный кабель, при этом два провода в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода - для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания, но максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна превышать 500 мА. К одному контроллеру шины USB можно подсоединить до 127 устройств по топологии "звезда".
PS/2 - разъем, применяемый для подключения клавиатуры и мыши. Но в настоящее время все больше компьютерных мышей и клавиатур имеют разъем USB, а некоторые современные материнские не имеют разъема PS/2 или имеют только один разъем.
Звуковая плата
Звуковая плата (звуковая карта, аудиокарта) - дополнительный элемент компьютера, не относящийся к его основному предназначению, позволяющий обрабатывать звук. На момент появления представляла собой отдельную плату, устанавливаемую в слот расширения. В современных ПК присутствует в виде микросхемы, интегрированной в чипсет материнской платы. Также выпускается в виде внешнего устройства.
Архитектура персонального компьютера определяется в первую очередь его внутренним устройством: центральным процессором и подсистемами памяти, внутримашинным интерфейсом, а также подсистемами ввода-вывода информации (рис. 3.3).
Центральным блоком персонального компьютера является микропроцессор, управляющий всеми другими устройствами компьютера и выполняющий арифметические и логические операции с данными. В состав микропроцессора входят:
устройство управления (УУ), формирующее па основе опорных сигналов тактового генератора сигналы управле-
Рис. 3.3.
ния, а также адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передающее их в соответствующие блоки;
- арифметико-логическое устройство (АЛУ), предназначенное для выполнения всех арифметических и логических операций над данными;
- микропроцессорная память (МПП), служащая для кратковременного хранения, записи и выдачи данных, непосредственно используемых в вычислениях в ближайшие такты машины. Микропроцессорная память реализована в виде регистров – быстродействующих устройств, предназначенных для временного хранения данных ограниченного размера. Как правило, регистры имеют ту же разрядность, что и машинное слово (двоичное число, обрабатываемое за один такт);
- интерфейсная система микропроцессора (ИСМ), реализующая сопряжение (связь) микропроцессора с другими устройствами компьютера. Включает внутренний интерфейс микропроцессора, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной.
Основной интерфейсной системой компьютера, обеспечивающей сопряжение и связь всех его устройств между собой, является системная шина (магистраль), в состав которой входят следующие компоненты:
- шина данных для параллельной передачи всех разрядов машинного слова данных;
- шина адреса из проводов и схем сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;
- шина управления для передачи управляющих сигналов во все блоки компьютера.
Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:
- между микропроцессором и основной памятью;
- микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
- основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).
Все блоки компьютера (их порты ввода-вывода) через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется, как правило, контроллером шины , формирующим основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.
Основная память компьютера предназначена для хранения и оперативного обмена информацией между блоками компьютера. Содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ):
- ПЗУ хранит неизменяемую (постоянную) программную информацию и позволяет только считывать хранящуюся в нем информацию. Здесь хранятся программы тестирования оборудования ПК, обслуживания ввода/вывода, некоторые данные и др. При выключении электропитания компьютера содержимое постоянной памяти сохраняется;
- ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в процессе работы ПК. Главное достоинство оперативной памяти – ее высокое быстродействие и возможность прямого обращения к каждой адресуемой группе из восьми ячеек памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). Память называется оперативной потому, что работает так быстро, что процессору почти не приходится ждать при чтении данных из памяти и записи в нее. При выключении питания ПК вся информация ОЗУ стирается. Объем установленной в компьютере оперативной памяти определяет, с каким программным обеспечением можно на нем работать. При недостаточном объеме оперативной памяти многие программы либо не работают, либо работают медленно.
Внешняя память ПК относится к внешним устройствам и используется для долговременного хранения информации. Устанавливаемое и все прикладное программное обеспечение компьютера хранится во внешней памяти. К внешней памяти компьютера относятся разнообразные запоминающие устройства, но основными являются накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД). Назначение этих дисков – хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. В качестве устройств внешней памяти используются также запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (стримеры), накопители на оптических дисках, флеш-карты и др.
Генератор тактовых импульсов (ГТИ) генерирует последовательность электрических импульсов. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы компьютера. Частота ГТИ – одна из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, так как каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.
Источник питания (ИП) компьютера представляет собой блок, содержащий системы энергопитания узлов ПК.
К внешним устройствам персонального компьютера кроме внешней памяти относятся разнообразные устройства ввода/вывода информации, и основными здесь являются видеомонитор, клавиатура, мышь.
Введение
Основная компоновка частей компьютера и связь между ними называется архитектурой . При описании архитектуры компьютера определяется состав входящих в его компонент, принципы их взаимодействия, а также их функции и характеристики.
Современный компьютер не может обойтись без программного обеспечения, ведь именно оно определяет возможности компьютера для решения задач определённого рода. Для создания программных продуктов зачастую требуется не меньше затрат, чем на производство самого компьютера, поэтому большинство программ являются коммерческой продукцией и продаются наравне с компьютером.
Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАмСС ) -- советская/российская спутниковая система навигации, разработана по заказу Министерства обороны СССР. Одна из двух функционирующих на сегодня систем глобальной спутниковой навигации (китайская система спутниковой навигации Бэйдоу на данный момент функционирует как региональная).
Рис. 1
Практически все универсальные ЭВМ отражают классическую неймановскую архитектуру, представленную на схеме. Эта схема во многом характерна как для микро-ЭВМ, так и для мини ЭВМ и ЭВМ общего назначения.
Рассмотрим устройства подробнее.
Основная часть системной платы -- микропроцессор (МП) или CPU (Central Processing Unit), он управляет работой всех узлов ПК и программой, описывающей алгоритм решаемой задачи. МП имеет сложную структуру в виде электронных логических схем. В качестве его компонент можно выделить:
A). АЛУ - арифметико-логическое устройство, предназначенное для выполнения арифметических и логических операций над данными и адресами памяти;
Б). Регистры или микропроцессорная память -- сверхоперативная память, работающая со скоростью процессора, АЛУ работает именно с ними;
B). УУ - устройство управления - управление работой всех узлов МП посредством выработки и передачи другим его компонентам управляющих импульсов, поступающих от кварцевого тактового генератора, который при включении ПК начинает вибрировать с постоянной частотой (100 МГц, 200-400 МГц). Эти колебания и задают темп работы всей системной платы;
- Г). СПр - система прерываний - специальный регистр, описывающий состояние МП, позволяющий прерывать работу МП в любой момент времени для немедленной обработки некоторого поступившего запроса, или постановки его в очередь; после обработки запроса СПр обеспечивает восстановление прерванного процесса;
- Д). Устройство управления общей шиной -- интерфейсная система.
Для расширения возможностей ПК и повышения функциональных характеристик микропроцессора дополнительно может поставляться математический сопроцессор, служащий для расширения набора команд МП. Например, математический сопроцессор IBM-совместимых ПК расширяет возможности МП для вычислений с плавающей точкой; сопроцессор в локальных сетях (LAN-процессор) расширяет функции МП в локальных сетях.
Характеристики процессора:
быстродействие (производительность, тактовая частота) -- количество операций, выполняемых в секунду.
разрядность -- максимальное количество разрядов двоичного числа, над которыми одновременно может выполняться машинная операция.
Первый процессор был 4-разрядным, то есть работал с числами, представляемыми 4 двоичными разрядами - 2"*= 16 чисел, 16 адресов.
16-разрядный процессор одновременно может работать с 2 16 =б5536 числами и адресами. 32-разрядный - 2 32 =4 294 967 296.чисел.
При тактовой частоте 33 МГц обеспечивается выполнение 7 млн. коротких машинных операций (+,*, пересылка информации); при частоте 100 МГц -20 млн. аналогичных операций.
Интерфейсная система - это:
- -шина управления (ШУ) - предназначена для передачи управляющий импульсов и синхронизации сигналов ко всем устройствам ПК;
- -шина адреса (ША) - предназначена для передачи кода адреса ячейки памяти или порта ввода/вывода внешнего устройства;
- -шина данных (ШД) - предназначена для параллельной передачи всех разрядов числового кода;
- -шина питания - для подключения всех блоков ПК к системе электропитания.
Интерфейсная система обеспечивает три направления передачи информации:
- - между МП и оперативной памятью;
- - между МП и портами ввода/вывода внешних устройств;
- - между оперативной памятью и портами ввода/вывода внешних устройств. Обмен информацией между устройствами и системной шиной происходит с помощью кодов ASCII.
Память - устройство для хранения информации в виде данных и программ. Память делится прежде всего на внутреннюю (расположенную на системной плате) и внешнюю (размещенную на разнообразных внешних носителях информации).
Внутренняя память в свою очередь подразделяется на:
- - ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) или ROM (read only memory), которое содержит - постоянную информацию, сохраняемую даже при отключенном питании, которая служит для тестирования памяти и оборудования компьютера, начальной загрузки ПК при включении. Запись на специальную кассету ПЗУ происходит на заводе фирмы-изготовителя ПК и несет черты его индивидуальности. Объем ПЗУ относительно невелик - от 64 до 256 Кб.
- - ОЗУ
(оперативное запоминающее устройство, ОП -- оперативная память) или RAM (random access memory), служит для оперативного хранения программ и данных, сохраняемых только на период работы ПК. Она энергозависима, при отключении питания информация теряется. ОП выделяется особыми функциями и спецификой доступа:
- 1) ОП хранит не только данные, но и выполняемую программу;
- 2) МП имеет возможность прямого доступа в ОП, минуя систему ввода/вывода.
Логическая организация памяти -- адресация, размещение данных определяется ПО, установленным на ПК, а именно ОС.
Объем ОП колеблется в пределах от 64 Кб до 64 Мб и выше, как правило, ОП имеет модульную структуру и может расширяться за счет добавления новых микросхем.
Кэш-память - имеет малое время доступа, служит для временного хранения промежуточных результатов и содержимого наиболее часто используемых ячеек ОП и регистров МП.
Объем кэш-памяти зависит от модели ПК и составляет обычно 256 Кб.
Внешняя память. Устройства внешней памяти весьма разнообразны. Предлагаемая классификация учитывает тип носителя , т.е. материального объекта, способного хранить информацию.
- 1) Накопители на магнитной ленте исторически появились раньше, чем накопители на магнитном диске. Бобинные накопители используются в супер-ЭВМ и mainframe. Ленточные накопители называются стримерами, они предназначены для создания резервных копий программ и документов, представляющих ценность. Запись может производиться на обычную видеокассету или на специальную кассету. Емкость такой кассеты до 1700 Мб, длина ленты 120 м, ширина 3.81 мм (2 - 4 дорожки). Скорость считывания информации-до 100 Кб/сек.
- 2) Диски относятся к носителям информации с прямым доступом, т.е. ПК может обратиться к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию, непосредственно.
Магнитные диски (МД)-- в качестве запоминающей среды используются магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два направления намагниченности. Каждому из этих состояний ставятся в соответствие двоичные цифры -- 0 и 1. Информация на МД записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей - дорожек. Каждая дорожка разбита на сектора (1 сектор = 512 б). Обмен между дисками и ОП происходит целым числом секторов. Кластер -- минимальная единица размещения информации на диске, он может содержать один и более смежных секторов дорожки. При записи и чтении МД вращается вокруг своей оси, а механизм управления магнитной головкой подводит ее к выбранной для записи или чтения дорожке.
Данные на дисках хранятся в файлах -- именованных областях внешней памяти, выделенных для хранения массива данных. Кластеры, выделяемые файлу, могут находиться в любом свободном месте дисковой памяти и необязательно являются смежными. Вся информация о том, где именно записаны кусочки файла, хранится в таблице размещения файлов FAT (file allocation table). Для пакетов МД (это диски, установленные на одной оси) и для двусторонних дисков вводится понятие цилиндр - совокупность дорожек МД, находящихся на одинаковом расстоянии от центра.
На ГМД магнитный слой наносится на гибкую основу. Диаметр ГМД: 5,25" и 3,5". Емкость ГМД от 180 Кб до 2,88 Мб. Число дорожек на одной поверхности - 80. Скорость вращения от 3000 до 7200 об/мин. Среднее время доступа 65 - 100 мс.
Каждая новая дискета перед работой должна быть отформатирована, т.е. создана структура записи информации на ее поверхности: разметка дорожек, секторов, записи маркеров, таблицы FAT. Дискеты нужно хранить аккуратно, беречь от пыли, механических повреждений, воздействия магнитных полей, растворителей. Это основной недостаток этого вида накопителей.
НЖМД или «винчестеры» изготовлены из сплавов алюминия или из керамики и покрыты ферролаком, вместе с блоком магнитных головок помещены в герметически закрытый корпус. Емкость накопителей за счет чрезвычайно плотной записи достигает нескольких гигабайт, быстродействие также выше, чем у съемных дисков (за счет увеличения скорости вращения, т.к. диск жестко закреплен на оси вращения). Первая модель появилась на фирме IBM в 1973 г. Она имела емкость 16 Кб и 30 дорожек/30 секторов, что случайно совпало с калибром популярного ружья 30"730" «винчестер».
Диаметр ЖМД: 3,5" (есть 1,8" и 5,25"). Скорость вращения 7200 об/мин, время доступа -- 6 мс.
Каждым ЖМД проходит процедуру низкоуровневого форматирования -- на носитель записывается служебная информация, которая определяет разметку цилиндров диска на сектора и нумерует их, маркируются дефектные сектора для исключения их из процесса эксплуатации диска. В ПК имеется один или два накопителя. Один ЖД можно разбить при помощи специальной программы на несколько логических дисков и работать с ними как с разными ЖД.
Дисковые массивы RAID - применяются в машинах-серверах БД и в суперЭВМ, они представляют собой матрицу с резервируемыми независимыми дисками, несколько НЖМД объединены в один логический диск. Можно объединить до 48 физических дисков любой емкости, формирующих до 120 логических дисков (RAID7). Емкость таких дисков составляет до 5Т6 (терабайт=10 12).
НОД (накопители на оптических дисках) делятся на:
не перезаписываемые лазерно-оптические диски или компакт-диски (CD-ROM). Поставляются фирмой-изготовителем с уже записанной на них информацией. Запись на них возможна в лабораторных условиях лазерным лучом большой мощности. В оптическом дисководе ПК эта дорожка читается лазерным лучом меньшей мощности. Ввиду чрезвычайно плотной записи CD-ROM имеют емкость до 1,5 Гб, время доступа от 30 до 300 мс, скорость считывания данных от 150 до 1500 Кб/сек;
перезаписываемые CD-диски имеют возможность записывать информацию прямо с ПК, но для этого необходимо специальное устройство.
Магнитооптические диски (ZIP) -- запись на такой диск производится под высокой температурой намагничиванием активного слоя, а считывание -- лучом лазера. Эти диски удобны для хранения информации, но оборудование стоит дорого. Емкость такого диска до 20,8 Мб, время доступа от 15 до 150 мс, скорость считывания информации до 2000 Кб/сек.
Контроллеры служат для обеспечения прямой связи с ОП, минуя МП, они используются для устройств быстрого обмена данными с ОП - НГМД, НЖД, дисплей и др., обеспечения работы в групповом или сетевом режиме. Клавиатура, дисплей, мышь являются медленными устройствами, поэтому они связаны с системной платой контроллерами и имеют в ОП свои отведенные участки памяти.
Порты бывают входными и выходными, универсальными (ввод - вывод), они служат для обеспечения обмена информацией ПК с внешними, не очень быстрыми устройствами. Информация, поступающая через порт, направляется в МП, а потом в ОП. Выделяют два вида портов:
последовательный -- обеспечивает побитный обмен информацией, обычно к такому порту подключают модем;
параллельный -- обеспечивает побайтный обмен информацией, к такому порту подключают принтер. Современные ПК обычно оборудованы 1 параллельным и 2 последовательными портами.
Видеомониторы -- устройства, предназначенные для вывода информации от ПК пользователю. Мониторы бывают монохромные (зеленое или янтарное изображение, большая разрешающая способность) и цветные. Самые качественные RGB-мониторы, обладают высокой разрешающей способностью для графики и цвета. Используется тот же принцип электронной лучевой трубки как у телевизора. В портативных ПК используют электролюминесцентные или жидкокристаллические панели. Мониторы могут работать в текстовом и графическом режимах. В текстовом режиме изображение состоит из знакомест -- специальных знаков, хранимых в видеопамяти дисплея, а в графическом изображение состоит из точек определенной яркости и цвета. Основные характеристики видеомониторов - разрешающая способность (от 600х350 до 1024х768 точек), число цветов (для цветных) - от 16 до 256, частота кадров фиксированная 60 Гц.
Принтеры -- это устройства вывода данных из ЭВМ, преобразовывающие информационные ASCII-коды в соответствующие им графические символы и фиксирующие эти символы на бумаге. Принтеры - наиболее развитая группа внешних устройств, насчитывается более 1000 модификаций.
Принтеры бывают черно-белые или цветные по способу печати они делятся на:
матричные -- в этих принтерах изображение формируется из точек ударным способом, игольчатая печатающая головка перемещается в горизонтальном направлении, каждая иголочка управляется электромагнитом и ударяет бумагу через красящую ленту. Количество игл определяет качество печати (от 9 до 24), скорость печати 100-300 символов/сек, разрешающая способность 5 точек на мм;
струйные -- в печатающей головке имеются вместо иголок тонкие трубочки - сопла, через которые на бумагу выбрасываются мельчайшие капельки чернил (12 - 64 сопла), скорость печати до 500 символов/сек, разрешающая способность - 20 точек на мм;
термографические -- матричные принтеры, оснащенные вместо игольчатой печатающей головки головкой с термоматрицей, при печати используется специальная термобумага;
лазерные -- используется электрографический способ формирования изображений, лазер служит для создания сверхтонкого светового луча, вычерчивающего на поверхности светочувствительного барабана контуры невидимого точечного электронного изображения. После проявления изображения порошком красителя (тонера), налипающего на разряженные участки, выполняется печать - перенос тонера на бумагу и закрепление изображения на бумаге при помощи высокой температуры. Разрешение у таких принтеров до 50 точек/мм, скорость печати - 1000 символов/сек.
Сканеры - устройства ввода в ЭВМ информации непосредственно с бумажного документа. Можно вводить тексты, схемы, рисунки, графики, фотографии и другую информацию. Файл, создаваемый сканером в памяти ЭВМ называется битовой картой. Существует два формата представления графической информации в ЭВМ:
растровый -- изображение запоминается в виде мозаичного набора множества точек на экране монитора, редактировать такие изображения с помощью текстовых редакторов нельзя, эти изображения редактируют в Corel Draw, Adobe PhotoShop;
текстовый -- информация идентифицируется характеристиками шрифтов, кодами символов, абзацев, стандартные текстовые процессоры предназначены для работы именно с таким представлением информации.
Битовая карта требует большого объема памяти, поэтому после сканирования битовые карты упаковывают с помощью специальных программ (PCX, GIF). Сканер подключается к параллельному порту. Сканеры бывают:
черно-белые и цветные (число передаваемых цветов от 256 до 65 536);
ручные перемещаются по изображению вручную, за один проход вводится небольшое количество информации (до 105 мм), скорость считывания - 5-50 мм/сек;
планшетные -- сканирующая головка перемещается относительно оригинала автоматически, скорость сканирования -2-10 сек на страницу;
роликовые -- оригинал автоматически перемещается относительно сканирующей головки;
проекционные - напоминают фотоувеличитель, внизу -сканируемый документ, сверху - сканирующая головка;
штрих-сканеры -- устройства для считывания штрих-кодов на товарах в магазинах.
Разрешающая способность сканеров от 75 до 1600 точек/дюйм.
Манипуляторы - компьютерные устройства, управляемые руками оператора:
мышь -- устройство для определения относительных координат (смещения относительно предыдущего положения или направления) движения руки оператора. Относительные координаты передаются в компьютер и при помощи специальной программы могут вызывать перемещения курсора на экране. Для отслеживания перемещения мыши используются различные виды датчиков. Самый распространенный - механический (шарик, к которому прикасаются несколько валиков), существует еще оптический датчик, обеспечивающий более высокую точность считывания координат;
джойстик -- рычажный указатель - устройство для ввода направления движения руки оператора, их чаще используют для игр на компьютере;
дигитайзер или оцифровывающий планшет -- устройство для точного ввода графической информации (чертежей, графиков, карт) в компьютер. Он состоит из плоской панели (планшета) и связанного с ней ручного устройства - пера. Оператор ведет вдоль графика перо, при этом абсолютные координаты поступают в компьютер.
Клавиатура -- устройство для ввода информации в память компьютера. Внутри расположена микросхема, клавиатура связана с системной платой, нажатие любой клавиши продуцирует сигнал (код символа в системе ASCII -16-ричный порядковый номер символа в таблице), в памяти ЭВМ специальная программа по коду восстанавливает внешний вид нажатого символа и передает его изображение на монитор.
Конкретный набор компонент, входящих в данный компьютер, называется его конфигурацией . Минимальная конфигурация ПК необходимая для его работы включает в себя системный блок (там находятся МП, ОП, ПЗУ, НЖМД, НГМД), клавиатуру (как устройство ввода информации) и монитор (как устройство вывода информации).
