Устройство вывода

Оперативное

запоминающее

устройство

Арифметико-логическое

устройство

Рисунок 1.1 Упрощенная структура компьютера

Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций над машинными словами, т.е. кодами, находящимися в памяти и поступающими в АЛУ для обработки. Кроме того, оно выполняет различные операции по управлению вычислениями.

Оперативная память, или оперативное запоминающее устройство хранит коды машинных слов (команд и данных) в своих «ячейках». Эти ячейки нумеруются, а номер ячейки называют адресом . [В памяти компьютера, как правило, находятся только команды и данные.] Машина использует хранимую в ОЗУ информацию для организации вычислительного процесса. Информация попадает в ОЗУ из устройства ввода или из внешней памяти (на рисунке не показана). Внешняя память позволяет хранить большие объемы информации, но обладает меньшим быстродействием по сравнению с ОЗУ. В течение всего процесса обработки информация поступает в АЛУ только из ОЗУ, а результаты выполнения программы выдаются на устройство вывода только после окончания обработки. Точно также, информация из внешней памяти (ВЗУ) прежде, чем принять участие в обработке, должна предварительно быть переписана в ОЗУ.

Устройство управления (УУ) служит для автоматического управления вычислительным процессом; оно формирует сигналы управления на все устройства компьютера, преобразуя команды программы в управляющие сигналы. Как уже отмечалось, если узел управления совмещен с АЛУ, то такое объединенное устройство часто называют центральным процессором (ЦП или просто процессором). Он связан с основной памятью (ОП), состоящей из ОЗУ и постоянной памяти, предназначенной для хранения программ ввода/вывода, и различными устройствами ввода и вывода (или периферийными устройствами) посредством шины (называемой часто «общей шиной», или ОШ), см. рисунок 1.2. Такая общая шина состоит из нескольких «подшин»: адреса, данных и управления. Мы часто будем их называть просто шинами. Причем в персональных машинах для экономии места на системной плате (т.е. плате, на которой расположен процессор, память и разъемы для подключения периферийных устройств) шины адреса и данных иногда выполняют в виде одной разделяемой во времени шины; тогда адрес и данные по ней передаются только поочередно.

Рисунок 1.2 Центральная часть машины

Помимо ЦП и ОП, компьютер содержит множество других устройств, предназначенных для связи с внешним миром (человеком, объектами управления и т.п.). Как уже указывалось, эти устройства называются периферийными (или внешними) и подключаются к ОШ с помощью контроллеров, адаптеров, шинных мостов и т.п.

В персональном компьютере (а в последнее время и в компьютерах других типов) основная память состоит из двух частей – постоянной (ПЗУ) и оперативной (ОЗУ). В очень небольшой по современным понятиям [она достигает нескольких мегабайт] постоянной памяти хранится программа начальной загрузки, называемая BIOS (Basic Input-Output System). Эта информация «зашита» в памяти, т.е. хранится постоянно. Оперативная память в момент включения компьютера не содержит никакой информации. При его включении на все блоки подается сигнал установки в исходное «нулевое» состояние; затем начинают формироваться тактовые импульсы, и компьютер начинает работать.

Чтобы понять, как работает компьютер, нужно знать из каких элементов он состоит, т.е. что такое триггер, счетчик, регистр, логическая схема и т.п. Подробнее о работе всех этих компонентов можно узнать из последующих разделов книги. Здесь же дадим только основное представление об этих компонентах. Триггер представляет собой электронную схему, которая может находиться в одном из двух устойчивых состояний «0» и «1». Внешними сигналами можно переводить триггер из одного состояния в другое. Регистр – это несколько определенным образом соединенных триггеров, т.е. можно записать двоичное слово в регистр, прочитать его, сдвинуть, инвертировать. Счетчик позволяет определить число поступивших на него сигналов. Он строится также на основе триггеров. Логическая схема реализует определенную логическую функцию, т.е. формирует выходной сигнал при определенных комбинациях сигналов на ее входах.

Теперь продолжим рассмотрение работы простейшего компьютера. Содержимое счетчика команд (СчК; его называют также IP – instruction pointer) процессора передается по адресной шине на регистр адреса (РгА) основной памяти (рисунок 1.3). В момент включения компьютера в счетчике команд всегда находится один и тот же начальный адрес. Таким образом, запрашивается содержимое ячейки памяти с этим начальным адресом, принадлежащим BIOS. Как правило, эта ячейка содержит код команды безусловного перехода, служащей для изменения содержимого счетчика команд. Содержимое ячейки, т.е. код этой команды передается на регистр команд (РгК) процессора по шине данных ОШ. Содержимое ячейки памяти поступает на РгК, поскольку «запрос» к памяти произведен из счетчика команд ; это обязательное требование для любого компьютера традиционной архитектуры.

Регистр РгК процессора в свою очередь состоит из нескольких регистров – регистра кода операции (РгКОП) и регистров адресов процессора (РгАП). Часть слова (содержимого ячейки ОП, к которой произведено обращение), попавшая в регистр кода операции, передается в блок управления (БУ), вырабатывающий последовательность управляющих сигналов.

Когда выполняется команда безусловного перехода, вторая «адресная» часть слова, попавшая в один из регистров адреса процессора, под управлением сигналов с БУ передается вновь на счетчик команд. Эта команда одноадресная – т.е. ее «адресная» часть содержит только один адрес. На этом и завершается ее выполнение. БУ формирует сигнал об окончании выполнения команды, а содержимое СчК вновь передается на РгА памяти, т.е. происходит запрос следующей команды.

Р

РгКОП РгАП

Рисунок 1.3 Передача команд из ОП в ЦП

Таким образом, процедура обращения к памяти повторяется. Содержимое ячейки памяти, к которой произведено повторное обращение, рассматривается в качестве новой команды, т.е. вновь загружается на РгК процессора. Обычно вторая команда служит для начала загрузки ОЗУ с магнитного диска; она уже не является командой безусловного перехода. При выполнении этой команды под управлением кода операции (часть команды, попавшая на РгКОП) вырабатываются иные управляющие сигналы, а содержимое первого регистра РгАП, представляющего собой часть РгК, передается на адресный регистр памяти и рассматривается в качестве адреса первого операнда.

Для ОЗУ безразлично, откуда пришел запрос – из счетчика команд или из адресного регистра, поэтому в регистре данных памяти слово формируется так же, как и раньше. Однако, поскольку «запрос» этого слова поступил из адресного регистра РгАП, то в процессоре оно помещается на первый регистр данных арифметического устройства (АЛУ). Затем блок управления формирует аналогичные сигналы для передачи на РгА памяти содержимого второго РгАП; в результате содержимое ячейки памяти с адресом, находящимся в РгАП, поступает на второй регистр данных арифметического устройства.

Затем блок управления вырабатывает сигналы в зависимости от кода операции в РгКОП, подает их на АЛУ, которое выполняет соответствующую операцию, а ее результат помещает в выходной регистр-аккумулятор. После этого содержимое регистра-аккумулятора передается в ячейку памяти, адрес которой обычно находится в первом РгАП, т.е. выполняется еще одно обращение к ОП. Содержимое регистра-аккумулятора передается на шину данных, а адрес ячейки из РгАП – на адресную шину. [В зависимости от конструкции машины, числа адресов в выполняемой команде (адресности) и ряда других особенностей, содержимое регистра-аккумулятора может сохраняться в нем, передаваться в ячейку ОП по адресу, находящемуся в первом или втором РгАП.]

После сохранения содержимого регистра-аккумулятора к счетчику команд СчК добавляется длина текущей команды в байтах (часто говорят «единица»), чтобы обратиться к следующей ячейке памяти, и начинается новый цикл выполнения очередной команды.

Таким образом, выполнение программы происходит последовательно: каждый раз в машине реализуется лишь одна команда, попадающая в регистр команд из ОП. Но чтобы увеличить производительность компьютера, нужно либо повысить скорость выполнения команды, либо выполнять несколько последовательных команд одновременно. Повышение скорости выполнения команды связано с улучшением технических характеристик и увеличением быстродействия всех компонентов, входящих в компьютер – ЦП, ОП, шин интерфейсов, устройств ввода-вывода. Но увеличение скорости выполнения команды принципиально ограничено – скорость распространения сигналов в машине не может быть больше скорости света, а длина пути определяется числом вентилей и применяемой технологией. Второй путь, заключающийся в параллельном выполнении нескольких команд, наиболее перспективен. Однако и он обладает рядом ограничений, которые мы рассмотрим ниже.

Персональный компьютер - универсальная техническая система.

Его конфигурацию (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости.

Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. В таком комплекте компьютер обычно поставляется.

Понятие базовой конфигурации может меняться.

В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают четыре устройства:

• системный блок;
• монитор;
• клавиатуру;
• мышь.

Помимо компьютеров с базовой конфигурации все большее распространение получают мультимедийные компьютеры, оснащенные устройством чтения компакт-дисков, колонками и микрофоном.

Справка : «Юлмарт», на сегодняшний день самый хороший и удобный интернет магазин, где бесплатно вас проконсультируют при покупке компьютера любой конфигурации.

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты.

Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними.

Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными.

Как устроен системный блок

По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса.

Корпуса персональных компьютеров выпускают в горизонтальном (desktop) и вертикальном (tower) исполнении.

Корпуса, имеющие вертикальное исполнение, различают по габаритам:

• полноразмерный (big tower);
• среднеразмерный (midi tower);
• малоразмерный (mini tower).

Среди корпусов, имеющих горизонтальное исполнение, выделяют плоские и особо плоские (slim).

Выбор того или иного типа корпуса определяется вкусом и потребностями модернизации компьютера.

Наиболее оптимальным типом корпуса для большинства пользователей является корпус типа mini tower.

Он имеет небольшие габариты, его удобно располагать как на рабочем столе, так и на тумбочке вблизи рабочего стола или на специальном держателе.

Он имеет достаточно места для размещения от пяти до семи плат расширения.

Кроме формы, для корпуса важен параметр, называемый форм-фактором.От него зависят требования к размещаемым устройствам.

В настоящее время в основном используются корпуса двух форм-факторов: AT и АТХ.

Форм-фактор корпуса должен быть обязательно согласован с форм-фактором главной (системной) платы компьютера, так называемой материнской платы.

Корпуса персональных компьютеров поставляются вместе с блоком питания и, таким образом, мощность блока питания также является одним из параметров корпуса.

Для массовых моделей достаточной является мощность блока питания 200-250 Вт.

В системный блок входит (вмещается):

• Материнская плата
• Микросхема ПЗУ и система BIOS
• Энергонезависимая память CMOS
• Жесткий диск

Материнская плата

Материнская плата (mother board ) - основная плата персонального компьютера, представляющая из себя лист стеклотекстолита, покрытый медной фольгой.

Путем травления фольги получают тонкие медные проводники соединяющие электронные компоненты.

На материнской плате размещаются:

• процессор - основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций;
• шины - наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;
• оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) - набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен;
• ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) - микросхема, предназначенная для длительного хранения данных, в том числе и когда компьютер выключен;
• микропроцессорный комплект (чипсет) - набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы;
• разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты).

(микропроцессор, центральный процессор, CPU) - основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления.

Он представляет из себя большую микросхему, которую можно легко найти на материнской плате.

На процессоре устанавливается большой медный ребристый радиатор, охлаждаемый вентилятором.

Конструктивно процессор состоит из ячеек, в которых данные могут не только храниться, но и изменяться.

Внутренние ячейки процессора называют регистрами.

Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах.

Среди регистров процессора есть и такие, которые в зависимости от своего содержания способны модифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных.

На этом и основано исполнение программ.

С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами.

Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.

Адресная шина

У процессоров Intel Pentium (а именно они наиболее распространены в персональных компьютерах) адресная шина 32-разрядная, то есть состоит из 32 параллельных линий. В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комбинация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.

Шина данных

По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на базе процессоров Intel Pentium, шина данных 64-разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.

Шина команд

Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, но не из тех областей, где хранятся массивы данных, а оттуда, где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. Самые простые команды укладываются в один байт, однако есть и такие, для которых нужно два, три и более байтов. В большинстве современных процессоров шина команд 32-разрядная (например, в процессоре Intel Pentium), хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже 128-разрядные.

В процессе работы процессор обслуживает данные, находящиеся в его регистрах, в поле оперативной памяти, а также данные, находящиеся во внешних портах процессора.

Часть данных он интерпретирует непосредственно как данные, часть данных - как адресные данные, а часть - как команды.

Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора.

Основными параметрами процессоров являются:

• рабочее напряжение
• разрядность
• рабочая тактовая частота
• коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты
• размер кэш памяти

Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт).

В основе работы процессора лежит тот же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов.

В настенных часах такты колебаний задает маятник; в ручных механических часах их задает пружинный маятник; в электронных часах для этого есть колебательный контур, задающий такты строго определенной частоты.

В персональном компьютере тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате.

Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность.

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью.

Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область - так называемую кэш память.Это как бы «сверхоперативная память».

Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память.

Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш память.

«Удачные» обращения в кэш память называют попаданиями в кэш.

Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш памяти, поэтому высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш памяти.

Нередко кэш память распределяют по нескольким уровням.

Кэш первого уровня выполняется в том же кристалле, что и сам процессор, и имеет объем порядка десятков Кбайт.

Кэш второго уровня находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле, что и процессор, хотя и исполняется на отдельном кристалле.

Кэш-память первого и второго уровня работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора.

Кэш-память третьего уровня выполняют на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещают на материнской плате вблизи процессора. Ее объемы могут достигать нескольких Мбайт, но работает она на частоте материнской платы.

Шинные интерфейсы материнской платы

Связь между всеми собственными и подключаемыми устройствами материнской платы выполняют ее шины и логические устройства, размещенные в микросхемах микропроцессорного комплекта (чипсета).

От архитектуры этих элементов во многом зависит производительность компьютера.

Шинные интерфейсы

ISA (Industry Standard Architecture) - устаревшая системная шина IBM PC-совместимых компьютеров.

EISA (Extended Industry Standard Architecture) - Расширение стандарта ISA. Отличается увеличенным разъемом и увеличенной производительностью (до 32 Мбайт/с). Как и ISA, в настоящее время данный стандарт считается устаревшим.

PCI (Peripheral Component Interconnect - дословно: взаимосвязь периферийных компонентов) - шина ввода/вывода для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера.

AGP (Accelerated Graphics Port - ускоренный графический порт) - разработанная в 1997 году компанией Intel, специализированная 32-битная системная шина для видеокарты. Основной задачей разработчиков было увеличение производительности и уменьшение стоимости видеокарты, за счет уменьшения количества встроенной видеопамяти.

USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная магистраль) - Этот стандарт определяет способ взаимодействия компьютера с периферийным оборудованием. Он позволяет подключать до 256 различных устройств, имеющих последовательный интерфейс. Устройства могут включаться цепочками (каждое следующее устройство подключается к предыдущему). Производительность шины USB относительно невелика и составляет до 1.5 Мбит/с, но для таких устройств, как клавиатура, мышь, модем, джойстик и тому подобное, этого достаточно. Удобство шины состоит в том, что она практически исключает конфликты между различным оборудованием, позволяет подключать и отключать устройства в «горячем режиме» (не выключая компьютер) и позволяет объединять несколько компьютеров в простейшую локальную сеть без применения специального оборудования и программного обеспечения.

Параметры микропроцессорного комплекта (чипсета) в наибольшей степени определяют свойства и функции материнской платы.

В настоящее время большинство чипсетов материнских плат выпускаются на базе двух микросхем, получивших название «северный мост» и «южный мост».

«Северный мост» управляет взаимосвязью четырех устройств: процессора, оперативной памяти, порта AGP и шины PCI. Поэтому его также называют четырехпортовым контроллером.

«Южный мост» называют также функциональным контроллером. Он выполняет функции контроллера жестких и гибких дисков, функции моста ISA - PCI, контроллера клавиатуры, мыши, шины USB и тому подобное

(RAM - Random Access Memory) - это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные.

Существует много различных типов оперативной памяти, но с точки зрения физического принципа действия различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM).

Ячейки динамической памяти (DRAM) можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках.

Это наиболее распространенный и экономически доступный тип памяти.

Недостатки этого типа связаны, во-первых, с тем, что как при заряде, так и при разряде конденсаторов неизбежны переходные процессы, то есть запись данных происходит сравнительно медленно.

Второй важный недостаток связан с тем, что заряды ячеек имеют свойство рассеиваться в пространстве, причем весьма быстро.

Если оперативную память постоянно не «подзаряжать», утрата данных происходит через несколько сотых долей секунды.

Для борьбы с этим явлением в компьютере происходит постоянная регенерация (освежение, подзарядка) ячеек оперативной памяти.

Регенерация осуществляется несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы.

Ячейки статической памяти (SRAM) можно представить как электронные микроэлементы - триггеры, состоящие из нескольких транзисторов.

В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и, соответственно, дороже.

Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной памяти компьютера.

Микросхемы статической памяти используют в качестве вспомогательной памяти (так называемой кэш памяти), предназначенной для оптимизации работы процессора.

Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается числом.

Одна адресуемая ячейка содержит восемь двоичных ячеек, в которых можно сохранить 8 бит, то есть один байт данных.

Таким образом, адрес любой ячейки памяти можно выразить четырьмя байтами.

Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках, называемых модулями.

Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате.

Конструктивно модули памяти имеют два исполнения - однорядные (SIMM-модули) и двухрядные (DIMM-модули).

Основными характеристиками модулей оперативной памяти являются объем памяти и время доступа.

Время доступа показывает, сколько времени необходимо для обращения к ячейкам памяти - чем оно меньше, тем лучше. Время доступа измеряется в миллиардных долях секунды (наносекундах, нс).

Микросхема ПЗУ и система BIOS

В момент включения компьютера в его оперативной памяти нет ничего - ни данных, ни программ, поскольку оперативная память не может ничего хранить без подзарядки ячеек более сотых долей секунды, но процессору нужны команды, в том числе и в первый момент после включения.

Поэтому сразу после включения на адресной шине процессора выставляется стартовый адрес.

Это происходит аппаратно, без участия программ (всегда одинаково).

Процессор обращается по выставленному адресу за своей первой командой и далее начинает работать по программам.

Этот исходный адрес не может указывать на оперативную память, в которой пока ничего нет.

Он указывает на другой тип памяти - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию, даже когда компьютер выключен.

Программы, находящиеся в ПЗУ, называют «зашитыми» - их записывают туда на этапе изготовления микросхемы.

Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода (BIOS - Basic Input Output System).

Основное назначение программ этого пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков.

Программы, входящие в BIOS, позволяют нам наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера, а также вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры.

Энергонезависимая память CMOS

Работа таких стандартных устройств, как клавиатура, может обслуживаться программами, входящими в BIOS, но такими средствами нельзя обеспечить работу со всеми возможными устройствами.

Так, например, изготовители BIOS абсолютно ничего не знают о параметрах наших жестких и гибких дисков, им не известны ни состав, ни свойства произвольной вычислительной системы.

Для того чтобы начать работу с другим оборудованием, программы, входящие в состав BIOS, должны знать, где можно найти нужные параметры.

По очевидным причинам их нельзя хранить ни в оперативной памяти, ни в постоянном запоминающем устройстве.

Специально для этого на материнской плате есть микросхема «энергонезависимой памяти», по технологии изготовления называемая CMOS.

От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не стирается во время выключения компьютера, а от ПЗУ она отличается тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы.

Эта микросхема постоянно подпитывается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате.

Заряда этой батарейки хватает на то, чтобы микросхема не теряла данные, даже если компьютер не будут включать несколько лет.

В микросхеме CMOS хранятся данные о гибких и жестких дисках, о процессоре, о некоторых других устройствах материнской платы.

Тот факт, что компьютер четко отслеживает время и календарь (даже и в выключенном состоянии), тоже связан с тем, что показания системных часов постоянно хранятся (и изменяются) в CMOS.

Таким образом, программы, записанные в BIOS, считывают данные о составе оборудования компьютера из микросхемы CMOS, после чего они могут выполнить обращение к жесткому диску, а в случае необходимости и к гибкому, и передать управление тем программам, которые там записаны.

Жесткий диск

Жесткий диск - основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ.

На самом деле это не один диск, а группа соосных дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой скоростью.

Таким образом, этот «диск» имеет не две поверхности, как должно быть у обычного плоского диска, а 2n поверхностей, где n - число отдельных дисков в группе.

Над каждой поверхностью располагается головка, предназначенная для чтения-записи данных.

При высоких скоростях вращения дисков (90 об/с) в зазоре между головкой и поверхностью образуется аэродинамическая подушка, и головка парит над магнитной поверхностью на высоте, составляющей несколько тысячных долей миллиметра.

При изменении силы тока, протекающего через головку, происходит изменение напряженности динамического магнитного поля в зазоре, что вызывает изменения в стационарном магнитном поле ферромагнитных частиц, образующих покрытие диска.Так осуществляется запись данных на магнитный диск.

Операция считывания происходит в обратном порядке.

Намагниченные частицы покрытия, проносящиеся на высокой скорости вблизи головки, наводят в ней ЭДС самоиндукции.

Электромагнитные сигналы, возникающие при этом, усиливаются и передаются на обработку.

Управление работой жесткого диска выполняет специальное аппаратно-логическое устройство - контроллер жесткого диска.

В настоящее время функции контроллеров дисков выполняют микросхемы, входящие в микропроцессорный комплект (чипсет), хотя некоторые виды высокопроизводительных контроллеров жестких дисков по-прежнему поставляются на отдельной плате.

К основным параметрам жестких дисков относятся емкость и производительность.

На жестком диске может храниться годами, однако иногда требуется ее перенос с одного компьютера на другой.

Несмотря на свое название, жесткий диск является весьма хрупким прибором, чувствительным к перегрузкам, ударам и толчкам.

Теоретически, переносить информацию с одного рабочего места на другое путем переноса жесткого диска возможно, и в некоторых случаях так и поступают, но все-таки этот прием считается нетехнологичным, поскольку требует особой аккуратности и определенной квалификации.

Для оперативного переноса небольших объемов информации используют так называемые гибкие магнитные диски (дискеты), которые вставляют в специальный накопитель - дисковод.

Приемное отверстие накопителя находится на лицевой панели системного блока.

Начиная с 1984 года выпускались гибкие диски 5.25 дюйма высокой плотности (1.2 Мбайт).

В наши дни диски размером 5.25 дюйма не используются, и соответствующие дисководы в базовой конфигурации персональных компьютеров после 1994 года не поставляются.

Гибкие диски размером 3.5 дюйма выпускают с 1980 года.

Сейчас стандартными считают диски размером 3.5 дюйма высокой плотности. Они имеют емкость 1440 Кбайт (1.4 Мбайт) и маркируются буквами HD (high density - высокая плотность).

С нижней стороны гибкий диск имеет центральную втулку, которая захватывается шпинделем дисковода и приводится во вращение.

Магнитная поверхность прикрыта сдвигающейся шторкой для защиты от влаги, грязи и пыли.

Если на гибком диске записаны ценные данные, его можно защитить от стирания и перезаписи, сдвинув защитную задвижку так, чтобы образовалось открытое отверстие.

Гибкие диски считаются малонадежными носителями информации.

Пыль, грязь, влага, температурные перепады и внешние электромагнитные поля очень часто становятся причиной частичной или полной утраты данных, хранившихся на гибком диске.

Поэтому использовать гибкие диски в качестве основного средства хранения информации недопустимо.

Их используют только для транспортировки информации или в качестве дополнительного (резервного) средства хранения.

Дисковод компакт-дисков CD-ROM

Аббревиатура CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) переводится на русский язык как постоянное запоминающее устройство на основе компакт-диска.

Принцип действия этого устройства состоит в считывании числовых данных с помощью лазерного луча, отражающегося от поверхности диска.

Цифровая запись на компакт-диске отличается от записи на магнитных дисках очень высокой плотностью, и стандартный компакт-диск может хранить примерно 650 Мбайт данных.

Большие объемы данных характерны для мультимедийной информации (графика, музыка, видео), поэтому дисководы CD-ROM относят к аппаратным средствам мультимедиа.

Программные продукты, распространяемые на лазерных дисках, называют мультимедийными изданиями.

Сегодня мультимедийные издания завоевывают все более прочное место среди других традиционных видов изданий.

Так, например, существуют книги, альбомы, энциклопедии и даже периодические издания (электронные журналы), выпускаемые на CD-ROM.

Основным недостатком стандартных дисководов CD-ROM является невозможность записи данных, но параллельно с ними существуют и устройства однократной записи CD-R (Compact Disk Recorder), и устройства многократной записи CD-RW.

Основным параметром дисководов CD-ROM является скорость чтения данных.

В настоящее время наибольшее распространение имеют устройства чтения CD-ROM с производительностью 32х-50х. Современные образцы устройств однократной записи имеют производительность 4х-8х, а устройств многократной записи - до 4х.

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

Состав и назначение основных элементов персонального компьютера

Архитектура классической ЭВМ

Основы построения электронных вычислительных машин в их современном понимании были заложены в 30-е – 40-е годы прошлого века видными учеными: английским математиком Аланом Тьюрингом и американцем венгерского происхождения Джоном (Яношем) Нейманом.

Машина Тьюринга не стала реально действующим устройством, однако до настоящего времени постоянно используется в качестве основной модели для выяснения сущности таких понятий, как «вычислительный процесс», «алгоритм», а также для выяснения связи между алгоритмом и вычислительными машинами.

В 1946 году Джоном Нейманом на летней сессии Пенсильванского университета был распространен отчет, заложивший основы развития вычислительной техники на несколько десятилетий вперед. Последующий опыт разработки ЭВМ показал правильность основных выводов Неймана, которые в последующие годы развивались и уточнялись. Основные рекомендации, предложенные Нейманом для разработчиков ЭВМ, следующие:

1. Машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления.

2. Программа должна размещаться в одном из блоков машины – в запоминающем устройстве (ЗУ), обладающем достаточной емкостью и соответствующими скоростями выборки и записи команд программы.

3. Программа так же, как и числа, с которыми оперирует машина, представляется в двоичном коде. Таким образом, по форме представления команды и числа однотипны. Это обстоятельство приводит к следующим важным последствиям:

Промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа могут размещаться в том же ЗУ, что и программа;

Числовая форма записи программы позволяет машине производить операции над величинами, которыми закодированы команды программы.

4. Арифметические устройства машины конструируются на основе схем, выполняющих операцию сложения. Создание специальных устройств для вычисления других операций нецелесообразно.

5. В машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над словами производятся одновременно по всем разрядам).

Архитектура компьютера обычно определяется совокупностью ее свойств, существенных для пользователя. Основное внимание при этом уделяется структуре и функциональным возможностям машины, которые можно разделить 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.

Персональный компьютер – это настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения.

Принцип работы и структура персонального компьютера

Любая форма человеческой деятельности, любой процесс функционирования технического объекта связаны с передачей и преобразованием информации. Информацией называются сведения о тех или иных явлениях природы, событиях в общественной жизни и процессах в технических устройствах. Информация, воплощенная и зафиксированная в материальной форме, называется сообщением. Сообщения могут быть непрерывными (аналоговыми) и дискретными (цифровыми). Непрерывное сообщение представляется физической величиной (электрическим напряжением, током и т.д.), изменения которой во времени отображают протекание рассматриваемого процесса.

Для дискретного сообщения характерно наличие фиксированного набора элементов, из которых в определенные моменты времени формируются различные последовательности. Компьютеры являются преобразователями информации, в них исходные данные задачи преобразуются в результат ее решения, и они относятся к классу дискретного действия – цифровому.

Главной особенностью компьютера является принцип программного управления, на основе которого достигается автоматическое управление процессом решения задачи. Другим важнейшим принципом является принцип хранимой в памяти программы, согласно которому программа, закодированная в цифровом виде, хранится в памяти наравне с числами. В команде указываются не сами участвующие в операциях числа, а адреса ячеек оперативной памяти, в которых они находятся и адрес ячейки, куда помещается результат операции.

Работу персонального компьютера (ПК) кратко можно охарактеризовать следующим образом. При включении компьютера в процессе начальной загрузки компоненты ПК тестируются специальной программой, «зашитой» в ПЗУ (BIOS). Заодно эта программа тестирует («оживляет») периферийные устройства ПК. Затем в ОЗУ ПК загружается комплекс программ (операционная система) и исходные данные для вычислений. Эта загрузка может осуществляться с клавиатуры или с одного из дисковых накопителей. Операционная система задает последовательность работы устройств ПК и порядок ввода данных, алгоритмы их обработки и порты вывода результатов. Обычно данные берутся из некоторых ячеек памяти ОЗУ, обрабатываются микропроцессором и затем пересылаются им в другие ячейки памяти. При необходимости полученные результаты через специальные порты направляются для печати на принтер.

Рис.2. Укрупненная структурная схема ПК

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

На рисунке 1 представлена упрощенная функциональная схема персонального компьютера, на рисунке 2 – его укрупненная структурная схема.

Микропроцессор. Это центральныйблок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией (рис.3). В состав микропроцессора входят:

- устройство управления (УУ) – формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы 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 устройство управления получает от генератора тактовых импульсов;

- арифметико-логическое устройство (АЛУ) – предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией. В некоторых моделях ПК к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор , использующийся для ускоренного выполнения операций над двоичными числами с плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для вычисления некоторых тригонометрических функций с высокой точностью;

- микропроцессорная память – служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. Используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.

- интерфейсная система микропроцессора – реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК.

Интерфейс (interface) – совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие.

Основные характеристики микропроцессора:

Тактовая частота, показывающая, сколько инструкций (действий) способен выполнить процессор в течение секунды;

Архитектура, в частности размер кэш-памяти (подробнее см. раздел…).

Некоторые области применения процессора, кроме персонального компьютера пользователя:

Контроллер светофора;

Интерактивные игрушки;

Автомобильная цифровая навигационная система;

Управление зажиганием и подачей топлива в автомобилях;

Принтеры;

Пульт звукорежиссера;

Локомотивы (микропроцессор контролирует электропитание двигателя);

Интерактивный сенсорный видеоэкран;

Контроль за расходованием электроэнергии;

Технологический контроль (микропроцессор контролирует условия производственного процесса - температуру, давление или расход материалов);

Рыболовная электронная наживка;

Электронный орган, гитара, синтезатор;

Гелиевый детектор;

Спортивные тренажеры;

Электронная игра «Дартс»;

Исследовательские приборы;

Контроллер швартовочных муфт морских судов и т.д.

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 машины или просто такт работы машины. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, так как каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

Главная отличительная черта структуры персонального компьютера состоит в наличии системной шины, посредством которой взаимодействуют и обмениваются информацией все его устройства.

Шины ПК. Компьютер строится по магистрально-модульному принципу, при котором все блоки компьютера связываются между собой системной шиной, предназначенной для обмена данными, адресной и управляющей информацией между составными частями компьютера. Системная шина определяет общий порядок обмена между любыми блоками компьютера, а также максимальное количество используемых устройств ввода-вывода. Она включает в себя шину адреса , шину данных и шину управления . Шина адреса и шина данных необходимы для передачи с микропроцессора адреса нужных ячеек, и затем считывания с них (или записи в них) соответствующих данных. Для обеспечения взаимодействия между отдельными узлами компьютера имеется шина управления, передающая управляющие сигналы, которыми обмениваются друг с другом устройства ПК.

Кроме этого имеется шина питания , имеющая провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.

Шины ПК характеризуются двумя основными параметрами – разрядностью и скоростью передачи по ним цифровых сигналов. Особенно важна разрядность шины данных – она должна соответствовать разрядности микропроцессора.

Все внешние устройства, 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 через дополнительную микросхему – контроллер шины , формирующий основные сигналы управления.

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

ПЗУ обычно выполнено в виде микросхемы, запаянной в материнскую плату, и не подлежит замене. Информация, записанная в ПЗУ, не может быть изменена пользователем, что хорошо отражено в английском варианте ее названия Read Only Memory – память только для чтения. В этой памяти хранятся программы тестирования основных узлов компьютера, инициирования загрузки операционной системы и обслуживания операций по вводу и выводу данных. Эти программы как бы постоянно «зашиты» в ПЗУ.

ОЗУ предназначено для хранения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в вычислительном процессе на текущем этапе функционирования ПК. ОЗУ – энергозависимая память: при отключении напряжения питания информация, хранящаяся в ней, теряется (подробнее см. раздел 3).

Внешняя память. Она используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. К внешней памяти относятся разнообразные виды запоминающих устройств (запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (стримеры), накопители на оптических дисках (CD-ROM)), 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 (подробнее см. раздел…).

Блок питания. Это блок (рис.4), содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК. Блок питания выполняет две критические функции: он обеспечивает все компоненты системы стабилизированным напряжением и охлаждает внутренности компьютера.

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 (периферийные) устройства. Под периферийным понимают любое устройство, конструктивно отделенное от центральной части ПК (микропроцессора и основной памяти), имеющее собственное управление и выполняющее запросы микропроцессора без его непосредственного вмешательства.

По назначению можно выделить следующие внешние устройства ПК:

Устройства ввода информации;

Устройства вывода и отображения информации;

Указательные устройства (манипуляторы, устройства управления);

Устройства связи и телекоммуникации.

К устройствам ввода информации относятся:

Клавиатура – устройство для ручного ввода в ПК текстовой, цифровой и управляющей информации (подробнее см. раздел…);

Сканер – устройство для автоматического считывания с бумажных или иных носителей и вода в ПК текстов, графиков, рисунков, чертежей для их перевода в цифровой (компьютерный) вид (подробнее см. раздел…);

- графический планшет (дигитайзер) – устройство для ручного ввода графической (реже текстовой) информации, изображений. Графический планшет – это два устройства – сам планшет и перо. Со специального планшета, оборудованного чувствительной поверхностью, которая реагирует на испускаемые пером сигналы, передаются точные координаты «точки соприкосновения» в компьютер. Перо при контакте с планшетом испускает специальные сигналы, говорящие ему о том, каким цветом нужно нарисовать в компьютере тот или иной элемент, какой толщины должен быть штрих и т.д. Используется компьютерными художниками, дизайнерами.

Сенсорные экраны – устройства для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК;

Цифровые фотоаппараты. По внешнему виду не слишком отличаются от обычного фотоаппарата, да и выпускаются теми же фирмами, что и обычные фотокамеры. Разница состоит в том, что вместо пленки цифровой фотоаппарат использует специальный элемент памяти, который сохраняет переданную с объектива картинку в виде несжатого (TIFF) или сжатого с некоторой потерей качества файла (JPEG-компрессия). Позднее получившийся файл передается в компьютер, а затем его можно обработать в любом графическом редакторе и, если нужно, отпечатать, как обычную фотографию, на специальном принтере. К этой же группе устройств ввода информации можно отнести цифровые видеокамеры и мобильные телефоны;

Микрофоны – устройства, воспринимающие звук в аналоговом виде. Чтобы компьютер мог записывать такие сигналы на магнитные диски и обрабатывать их, сигналы должны быть преобразованы из аналоговой в цифровую форму. Это достигается с помощью специального устройства - аналого-цифрового преобразователя (АЦП);

MIDI–клавиатура (MIDI – Musical Instrument Digital Interface) – устройство, подключающееся к звуковой карте. В отличие от синтезаторов, MIDI–клавиатура сама не в состоянии издавать звуки: она лишена всякой «начинки» для звукотворения. Эта роль отдана звуковой карте. Роль такой клавиатуры – отдавать встроенному синтезатору команды: какую ноту какой длительности и на каком инструменте компьютеру следует воспроизвести. Элементы MIDI–клавиатуры: собственно клавиатура – упрощенная копия фортепиано; средства управления инструментами, которые позволяют переключить клавиатуру в режим имитации любого из имеющихся в арсенале звуковой карты инструментов.

К устройствам вывода и отображения информации относятся:

Монитор (дисплей) – устройство отображения текстовой и графической информации без ее долговременной фиксации (подробнее см. раздел…);

Принтер – устройство вывода из компьютера данных на бумагу в удобной для чтения форме. Принтеры позволяют получить твердую копию документа. Наиболее распространенные типы принтеров: матричные принтеры (устройства ударного действия и термопринтеры), струйные принтеры с чернилами-красителями, лазерные принтеры, использующие электрографический способ формирования изображения (подробнее см. раздел…);

Графопостроители (плоттеры) – это устройства вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель. Их используют при автоматизированном проектировании;

Наушники, колонки – устройства для вывода звуковой информации.

К указательным устройствам относятся:

Мышь – устройство, предназначенное для работы в среде с графическим интерфейсом пользователя;

Трекбол – устройство, выполняющее функции, аналогичные мыши, в отличие от которой в движении находится не корпус, а только шарик;

Джойстик обеспечивает перемещение курсора на экране в одном из четырех направлений. Используется для взаимодействия с игровыми программами;

Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации и для подключения ПК к каналам связи, к другим ЭВМ и вычислительным сетям. К ним относятся:

Модем (от слов модуляция-демодуляция) – устройство, предназначенное для подключения компьютера к аналоговым линиям телефонной связи. Он позволяет через обыкновенную телефонную линию работать в сети Internet. Модем выполняет следующие функции: при передаче – преобразование цифрового кода в аналоговые сигналы, при приеме – фильтрацию принятого сигнала от помех, т.е. обратное преобразование аналогового сигнала в цифровой код;

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 для обеспечения передачи информации из ЭВМ в коммуникационную среду;

Мультиплексор передачи данных – многоканальное устройство сопряжения ЭВМ с несколькими каналами связи.

Базовая конфигурация ПК

Конструктивно ПК выполнены в виде центрального системного блока, к которому через разъемы подключаются внешние устройства: дополнительные устройства памяти, клавиатура, дисплей, принтер и др.

Системный блок обычно включает в себя системную плату, блок питания, накопители на дисках, разъемы для дополнительных устройств и платы расширения с контроллерами – адаптерами внешних устройств.

На системной плате (чаще ее называют материнской платой – Mother Board), как правило, размещаются:

Микропроцессор;

Математический сопроцессор;

Генератор тактовых импульсов;

Блоки (микросхемы) ОЗУ и ПЗУ;

Адаптеры клавиатуры, НЖМД и НГМД;

Таймер и др.

Центральный процессор

Микропроцессор (МП)(центральный процессор – Central Processing Unit (CPU)) – функционально законченное программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших или сверхбольших интегральных схем. Процессор – это «мозг» ПК. Он решает все общие вычислительные задачи и согласовывает работу памяти, видеоадаптера, дисковых накопителей и других компонентов системы. Процессор – это необычайно сложная микросхема, подключающаяся на большинстве ПК непосредственно к материнской плате, но иногда устанавливаемая и на дочерней плате, которая, в свою очередь, подключается к материнской посредством специализированного слота.

МП выполняет следующие функции:

Чтение и дешифрацию команд из основной памяти;

Чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств;

Прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств;

Обработку данных и их запись в основную память и регистры адаптеров внешних устройств;

Выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК.

Разрядность шины данных МП определяет разрядность ПК в целом; разрядность шины адреса МП – его адресное пространство.