Введение

Современные ЭВМ бывают самыми разными: большие, занимающие целые залы, маленькие, помещающиеся на столе, в портфеле и даже в кармане. Сегодня самым массовым видом ЭВМ являются персональные компьютеры.

Создание персонального компьютера (ПК) можно отнести к одному из самых значительных изобретений 20 века. ПК существенно изменил роль и значение вычислительной техники в жизни человека.

Определение «персональный» возникло потому, что человек получил возможность общаться с ЭВМ самостоятельно (персонально) без посредничества профессионала- программиста.

Персональные компьютеры используются сейчас повсеместно. Их основное назначение- выполнение рутинной работы: поиск информации, составление типовых форм документации, фиксация результатов исследования, подготовка текстов разного рода от простейших документов до издательской верстки и так далее.

Общедоступность и универсальность персонального компьютера обеспечивается за счет наличия следующих характеристик:

· «дружественность» интерфейса взаимодействия человека с компьютером, что позволяет работать на нем без специальной подготовки в компьютерной области

· малая стоимость

· небольшие габариты и отсутствие специальных требований к условиям окружающей среды

· открытость архитектуры

· большое количество программных средств для различных областей применения

· совместимость на программном и физическом уровне новых версий и моделей

· высокая надежность работы

Основы архитектуры ЭВМ

Составные части, из которых состоит компьютер, называют модулями. Среди всех модулей выделяют основные модули, без которых работа компьютера невозможна, и остальные модули, которые используются для решения различных задач: ввода и вывода графической информации, подключения к компьютерной сети и т.д.

В основу построения большинства ЭВМ положены принципы, сформулированные в 1945 г. Джоном фон Нейманом:

1. Принцип программного управления (программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в заданной последовательности).

2. Принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными).

3. Принцип адресности (основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек).

ЭВМ, построенные на этих принципах, имеют классическую архитектуру (архитектуру фон Неймана).

Архитектура ЭВМ - это её логическая организация, структура и ресурсы. Архитектура определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов ЭВМ:

· процессора;

· оперативного ЗУ (запоминающего устройства);

· внешних ЗУ;

· периферийных устройств.

Функции памяти:

· приём информации от других устройств;

· запоминание информации;

· передача информации по запросу в другие устройства машины.

Память делят на:

· основную:

· ОЗУ (оперативно запоминающее устройство);

· ПЗУ (постоянное запоминающее устройство);

· внешнюю (устройства внешней памяти позволяют длительно хранить информацию).

Носители внешней памяти:

· жесткие и гибкие магнитные диски

· лазерные диски (CD)

Прежде, чем использовать, диски форматируют на дорожки и секторы.

К функциям периферийных устройств относятся ввод и вывод информации.

Каждое устройство имеет набор характеристик, которые позволяют подобрать такую конфигурацию устройств, которая наилучшим образом подходит для решения определенного круга задач с помощью компьютера.

Функции процессора:

· обработка данных по заданной программе (выполнение над ними арифметических и логических операций)- функция АЛУ (арифметико-логического устройства);

· программное управление работой устройств ЭВМ - функция УУ (устройства управления).

В состав процессора входят также регистры (процессорная память) - ряд специальных запоминающих ячеек.

Регистры выполняют две функции:

· кратковременное хранение числа или команды;

· выполнение над ними некоторых операций.

Важнейшие регистры:

· счетчик команд (служит для автоматической выборки команд программы из последовательных ячеек памяти, в нем хранится адрес выполняемой команды);

· регистр команд и состояний (служит для хранения кода команды).

· Команда - это элементарная операция, которую должна выполнить ЭВМ.

Команда содержит:

· код выполняемой операции

· адреса операндов

· адрес размещения результата

Выполнение команды разбивается на следующие этапы:

· из ячейки памяти, адрес которой хранится в счетчике команд, выбирается команда (при этом содержимое счётчика команд увеличивается)

· команда передаётся в устройство управления (в регистр команд)

· устройство управления расшифровывает адресное поле команды

· по сигналам устройства управления операнды выбираются из памяти в АЛУ (в регистры операндов)

· УУ расшифровывает код операции и выдаёт сигнал АЛУ выполнить операцию

· результат операции остаётся в процессоре, либо возвращается в ОЗУ

Структура ПК

Рассмотрим классическую архитектуру персонального компьютера:

Персональные компьютеры обычно состоят из следующих основных модулей

· монитор

В системном блоке находятся все основные узлы компьютера:

· материнская плата;

· электронные схемы (процессор, контроллеры устройств и т.д.);

· блок питания;

· дисководы (накопители).

Под архитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач.

Открытая архитектура - предполагает наличие единого стандарта при разработке устройств, располагающихся на материнской плате и плате расширения.

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

Рисунок 3 - архитектура ЭВМ.

В настоящее время наибольшее распространение в ЭВМ получили 2 типа архитектуры: Принстонская (фон Неймана) и Гарвардская . Обе они выделяют 2 основных узла ЭВМ: центральный процессор и память компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных.

Согласно Джону фон Нейману, любая ЭВМ должна включать четыре основных блока - процессор, оперативную память, внешнюю память и комплекс устройств ввода-вывода

Рисунок 4 - Структурная схема ЭВМ

Эта схема, широко использовавшаяся в первых вычислительных машинах, имела один существенный недостаток: управление вводом-выводом и выполнение команд осуществлялось одним устройством управления. При такой структуре ЭВМ все виды программной обработки на время выполнения операций ввода-вывода прекращались из-за занятости процессора, что существенно снижало быстродействие машины.

Для устранения этого недостатка в схему был включен дополнительный компонент - канал ввода-вывода (устройство, обеспечивающее прямое взаимодействие процессора и периферийных устройств).

Гарвардская архитектура — архитектура ЭВМ, отличительным признаком которой является раздельное хранение и обработка команд и данных. Архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете

Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата.

Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении линий передачи команд и данных. В первом компьютере Эйкена «Марк I» для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными — электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие.

В более подробное описание, определяющее конкретную архитектуру, также входят: структурная схема ЭВМ, средства и способы доступа к элементам этой структурной схемы, организация и разрядность интерфейсов ЭВМ, набор и доступность регистров, организация памяти и способы её адресации, набор и формат машинных команд процессора, способы представления и форматы данных, правила обработки прерываний.

По перечисленным признакам и их сочетаниям среди архитектур выделяют:

1. По разрядности интерфейсов и машинных слов : 8-, 16-, 32-, 64-, 128- разрядные (ряд ЭВМ имеет и иные разрядности);

2. По особенностям набора регистров, формата команд и данных : CISC, RISC, VLIW;

3. По количеству центральных процессоров : однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные; многопроцессорные по принципу взаимодействия с памятью: симметричные многопроцессорные (SMP), масcивно-параллельные (MPP), распределенные.

Большинство многопроцессорных систем сегодня используют архитектуру SMP .

SMP системы позволяют любому процессору работать над любой задачей независимо от того, где в памяти хранятся данные для этой задачи; с должной поддержкой операционной системы, SMP системы могут легко перемещать задачи между процессорами эффективно распределяя нагрузку. С другой стороны, память гораздо медленнее процессоров, которые к ней обращаются, даже однопроцессорным машинам приходится тратить значительное время на получение данных из памяти. В SMP только один процессор может обращаться к памяти в данный момент времени.

Массивно-параллельная архитектура (англ. Massive Parallel Processing, MPP) — класс архитектур параллельных вычислительных систем Особенность архитектуры состоит в том, что память физически разделена. Система строится из отдельных модулей, содержащих процессор, локальный банк операционной памяти, коммуникационные процессоры или сетевые адаптеры, иногда — жесткие диски и/или другие устройства ввода/вывода. Доступ к банку операционной памяти из данного модуля имеют только процессоры из этого же модуля. Модули соединяются специальными коммуникационными каналами. в отличие от SMP-систем , в машинах с раздельной памятью каждый процессор имеет доступ только к своей локальной памяти, в связи с чем не возникает необходимости в потактовой синхронизации процессоров.

Распределённые вычисления , метакомпьютинг (англ. grid — сеть) - способ решения трудоёмких вычислительных задач с использованием нескольких компьютеров, объединённых в параллельную вычислительную систему (одновременное решения различных частей одной вычислительной задачи несколькими процессорами (или ядрами одного процессора) одного или нескольких компьютеров)

В суперскалярных процессорах также есть несколько вычислительных модулей, но задача распределения между ними работы решается аппаратно. Это сильно усложняет дизайн процессора, и может быть чревато ошибками. В процессорах VLIW задача распределения решается во время компиляции и в инструкциях явно указано, какое вычислительное устройство должно выполнять какую команду.

Суперскалярность — архитектура вычислительного ядра, использующая несколько декодеров команд, которые могут нагружать работой множество исполнительных блоков. Планирование исполнения потока команд является динамическим и осуществляется самим вычислительным ядром. Если в процессе работы команды, обрабатываемые конвейером, не противоречат друг другу, и одна не зависит от результата другой, то такое устройство может осуществить параллельное выполнение команд. В суперскалярных системах решение о запуске инструкции на исполнение принимает сам вычислительный модуль, что требует много ресурсов

Электронно-вычислительные машины (ЭВМ), или, как их теперь чаще называют, компьютеры, - одно из самых удивительных творений человека. В узком смысле ЭВМ - это приспособления, выполняющие разного рода вычисления или облегчающие этот процесс. Простейшие устройства, служащие подобным целям, появились в глубокой древности, несколько тысячелетий назад. По мере развития человеческой цивилизации они медленно эвоционировали, непрерывно совершенствуясь. Однако только в 40-е годы нашего столетия было положено начало созданию компьютеров современной архитектуры и с современной логикой. Именно эти годы можно по праву считать временем рождения современных (естественно, электронных) вычислительных машин.

Чтобы компьютер был и эффективным, и универсальным инструментом, он должен включать следующие структуры: центральное арифметико-логическое устройство (АЛУ), центральное устройство управления (УУ), " дирижирующее " операциями, запоминающее устройство, или память, а также устройства ввода-вывода информации.

Фон Нейман отмечал, что эта система должна работать с двоичными числами, быть электронным, а не механическим устройством и выполнять операции последовательно, одну за другой.

Принципы, сформированные фон Нейманом, стали общепринятыми и положены в основу как больших ЭВМ первых поколений, так и более поздних мини- и микро-ЭВМ. И хотя в последнее время идут активные поиски вычислительных машин, построенных на принципах, отличных от классических, большинство компьютеров построено согласно принципам, определенным Нейманом.

Архитектура и структура ЭВМ

При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру. Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя. Структура компьютера - это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства - от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации. Наиболее распространены следующие архитектурные решения. Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) - одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд - программа. Это однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью. Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления. Периферийные устройства ( принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры - устройства управления периферийными устройствами. Контроллер - устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования. Многопроцессорная архитектура . Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины, имеющей общую оперативную память и несколько процессоров, представлена на рисунке. Архитектура многопроцессорного компьютера Многомашинная вычислительная система . Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе. Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно. Архитектура с параллельными процессорами . Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе - то есть по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных. Структура таких компьютеров представлена на рисунке. Архитектура с параллельным процессором В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений. Существуют и такие архитектурные решения, которые радикально отличаются от рассмотренных выше. Современный персональный компьютер состоит из нескольких основных конструктивных компонентов: системного блока; монитора; клавиатуры; манипуляторов. Системный блок Системный блок – самый главный блок компьютера. К нему подключаются все остальные блоки, называемые внешними или периферийными устройствами. В системном блоке находятся основные электронные компоненты компьютера. ПК построен на основе СБИС (сверхбольших интегральных схем), и почти все они находятся внутри системного блока, на специальных платах (плата - пластмассовая пластина, на которой закреплены и соединены между собой электронные компоненты - СБИСы, микросхемы и др.). Самой важной платой компьютера является системная плата. На ней находятся центральный процессор, сопроцессор, оперативное запоминающее устройство – ОЗУ и разъемы для подключения плат-контроллеров внешних устройств. В системном блоке размещаются: блок питания - устройство, преобразующее переменное напряжение электросети в постоянное напряжение различной полярности и величины, необходимое для питания системной платы и внутренних устройств. Блок питания содержит вентилятор, создающий циркулирующие потоки воздуха для охлаждения системного блока. системная плата (материнская плата); магистраль (системная шина); процессор; звуковая карта; видеокарта (графическая карта); накопители на жёстких магнитных дисках; накопители на гибких магнитных дисках; оптические, магнитооптические и пр. накопители; накопитель CD-ROM, DVD-ROM; Материнская плата Основной частью любой компьютерной системы является материнская плата с главным процессором и поддерживающими его микросхемами. Функционально материнскую плату можно описать различным образом. Иногда такая плата содержит всю схему компьютера (одноплатные). В противоположность одноплатным, в шиноориентированых компьютерах системная плата реализует схему минимальной конфигурации, остальные функции реализуются с помощью многочисленных дополнительных плат. Все компоненты соединяются шиной. В системной плате нет видеоадаптера, некоторых видов памяти и средств связи с дополнительными устройствами. Эти устройства (платы расширения) добавляются к системной плате путем присоединения к шине расширения, которая является частью системной платы. Первая материнская плата была разработана фирмой IBM, и показана в августе 1981 года (PC-1). В 1983 году появился компьютер с увеличенной системной платой (PC-2). Максимум, что могла поддерживать PC-1 без использования плат расширения - 64К памяти. PC-2 имела уже 256К, но наиболее важное различие заключалось в программировании двух плат. Системная плата PC-1 не могла без корректировки поддерживать наиболее мощные устройства расширения, таких, как жесткий диск и улучшенные видеоадаптеры. Материнская плата - это комплекс различных устройств поддерживающий работу системы в целом. Обязательными атрибутами материнской платы являются базовый процессор, оперативная память, системный BIOS, контролер клавиатуры, разъемы расширения. Материнская плата внутри компьютера - главная монтажная деталь, к которой крепятся остальные компоненты. При нормальной работе материнской платы о ней не вспоминают, пока не понадобится усовершенствовать компьютер. Обычно хотят поставить более быстрый процессор, что и ведет к замене материнской платы. Нельзя, например, заменить старый Pentium MMX на Pentium III без новой материнской платы. По внешнему виду материнской платы можно определить, какие нужны процессор, память и дополнительные устройства, вставляемые во внешние порты и гнезда компьютера. По размерам материнские платы в общем случае можно разделить на три группы. Раньше все материнские платы имели размеры 8,5/11 дюймов. В XT размеры увеличились на 1 дюйм в AT размеры возросли еще больше. Часто речь может идти о “зеленых” платах (green mothеrboard). Сейчас выпускаются только такие платы. Данные системные платы позволяют реализовать несколько экономичных режимов энергопотребления (в том числе, так называемый “sleep”, при котором отключается питание от компонентов компьютера, которые в данный момент не работают). Американское агентство защиты окружающей среды (EPA) сосредоточила свое внимание на уменьшении потребления энергии компьютерными системами. Оборудование, удовлетворяющее ее (EPA) требованиям должно в среднем (в режиме холостого хода) потреблять не более 30Вт, не использовать токсичные материалы и допускать 100% утилизацию. Поскольку современные микропроцессоры используют напряжение питания 3,3-4В, а на плату подается 5В, на системных платах монтируют преобразователи напряжение. Частота процессора, системной шины и шин периферийных устройств Быстродействие различных компонентов компьютера (процессора, оперативной памяти и контроллеров периферийных устройств) может существенно различаться. Для согласования быстродействия на системной плате устанавливаются специальные микросхемы (чипсеты), включающие в себя контроллер оперативной памяти (так называемый северный мост) и контроллер периферийных устройств (южный мост). Рис.1. Логическая схема системной платы К северному мосту подключается шина PCI (Peripherial Component Interconnect bus - шина взаимодействия периферийных устройств), которая обеспечивает обмен информацией с контроллерами периферийных устройств. Частота контроллеров меньше частоты системной шины, например, если частота системной шины составляет 100 МГц, то частота шины PCI обычно в три раза меньше - 33 МГц. Контроллеры периферийных устройств (звуковая плата, сетевая плата, SCSI-контроллер, внутренний модем) устанавливаются в слоты расширения системной платы. По мере увеличения разрешающей способности монитора и глубины цвета требования к быстродействию шины, связывающей видеоплату с процессором и оперативной памятью, возрастают. В настоящее время для подключения видеоплаты обычно используется специальная шина AGP (Accelerated Graphic Port - ускоренный графический порт), соединенная с северным мостом и имеющая частоту, в несколько раз большую, чем шина PCI. Южный мост обеспечивает обмен информацией между северным мостом и портами для подключения периферийного оборудования. Устройства хранения информации (жесткие диски, CD-ROM, DVD-ROM) подключаются к южному мосту по шине UDMA (Ultra Direct Memory Access - прямое подключение к памяти). Мышь и внешний модем подключаются к южному мосту с помощью последовательных портов, которые передают электрические импульсы, несущие информацию в машинном коде, последовательно один за другим. Обозначаются последовательные порты как COM1 и COM2, а аппаратно реализуются с помощью 25-контактного и 9-контактного разъемов, которые выведены на заднюю панель системного блока. Принтер подключается к параллельному порту, который обеспечивает более высокую скорость передачи информации, чем последовательные порты, так как передает одновременно 8 электрических импульсов, несущих информацию в машинном коде. Обозначается параллельный порт как LTP, а аппаратно реализуется в виде 25-контактного разъема на задней панели системного блока. Для подключения сканеров и цифровых камер обычно используется порт USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина), который обеспечивает высокоскоростное подключение к компьютеру сразу нескольких периферийных устройств. Клавиатура подключается обычно с помощью порта PS/2.

АРХИТЕКТУРА ЭВМ

Классификация ЭВМ

Основные блоки ПК и их назначение

Внутримашинный системный интерфейс

Функциональные характеристики ПК

ЭВМ (компьютер) – комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.

Признаки классификации:

по принципу действия (но отличаются друг от друга типом представления информации);

по этапам создания;

по назначению;

по размерам и функциональным возможностям.

Архитектура ЭВМ – совокупность ее свойств, существенных для пользователя.

Структура и функциональные возможности ЭВМ:

основные (обеспечивают обработку и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами);

дополнительные (обеспечивают эффективные режимы работы, диалог с пользователем, высокую надежность).

Названные функции ЭВМ реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных средств.

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

Достоинства ПК:

малая стоимость (в пределах доступности для индивидуального пользователя);

автономность эксплуатации;

гибкость архитектуры (адаптивность к различным применениям в управлении, науке, образовании, быту);

«дружественность» ОС и программного обеспечения (возможность работы без специальной профессиональной подготовки);

высокая надежность работы.

Виды ПК:

настольное исполнение (desktop);

наколенный вариант (laptop).

блокнотный вариант (notebook).

карманные (Palm Top – наладонные);

электронные секретари (PDA – Personal Digital Assistent), имеют более широкие функциональные возможности как у обычного ПК и встроенное программное обеспечение для управления персональной информацией (адреса, телефоны, расписание встреч и т.д.);

электронные записные книжки (organizer).

Базовая (типовая) конфигурация ПК:

системный блок (это центральное звено компьютерной системы);

монитор (предназначен для отображения текстовой и графической информации);

клавиатура (используется для ввода текста, чисел и команд в компьютер);

Классификация системных блоков:

горизонтальные (desktop, плоские и особо плоские (slim));

вертикальные (tower, полноразмерные, среднеразмерные, малоразмерные).

Системный блок содержит наиболее важные компоненты:

материнская (системная) плата (содержит центральный процессор, микропроцессорный чипсет, математический сопроцессор, генератор тактовых импульсов, блоки ОЗУ и ПЗУ, шины, адаптеры клавиатуры, НЖМД, НГМД, контроллер прерываний, таймер и т.д.)

блок питания;

накопители на дисках;

дисководы;

разъемы для дополнительных устройств;

платы расширения с контроллерами (адаптерами) различных устройств.

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

Структура ПК:

микропроцессор (центральный блок, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией);

генератор тактовых импульсов (генерирует последовательность электрических импульсов, частота которых определяет тактовую частоту машины);

системная шина (основная интерфейсная система ПК, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой, в техническом плане шина состоит из пучка проводов, по которым передаются сигналы. Стык шины с устройством называется портом, которому для определенности присваивается номер, называемый адресом);

основная память (предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины);

внешняя память (используется для долговременного хранения информации, в ней хранится все программное обеспечение компьютера);

источник питания (блок, содержаний системы автономного и сетевого энергопитания);

таймер (внутримашинные электронные часы, подключаются к автономному источнику питания, работают при отключении от сети);

внешние устройства.

Согласование между отдельными узлами и блоками выполняют с помощью переходных аппаратно-логических устройств – аппаратных интерфейсов.

Стандарты на аппаратные интерфейсы называются протоколами.

Протокол – это совокупность технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств для успешного согласования их работы с другими устройствами.

Состав микропроцессора:

устройство управления (формирует и подает определенные сигналы управления, формирует адреса ячеек памяти и передает эти адреса в соответствующие блоки, последовательность импульсов получает от генератора тактовых импульсов);

арифметико-логическое устройство (выполняет арифметические и логические операции над числовой и символьной информацией);

микропроцессорная память (служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины; регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины);

интерфейсная система микропроцессора (реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК, включает внутренний интерфейс, буферные запоминающие регистры, схемы управления портами ввода-вывода (позволяют подключить другое устройство ПК) и системной шиной.

Частота генератора тактовых импульсов – одна из основных характеристик ПК и во многом определяет скорость его работы, т.к. каждая операция выполняется за определенное количество тактов.

Такт работы машины – промежуток времени между соседними импульсами.

Внутримашинный системный интерфейс (система связи и сопряжения узлов и блоков ЭВМ между собой) – совокупность электрических линий связи (проводов), схем сопряжения с компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов.

Варианты организации внутримашинного интерфейса:

многосвязный интерфейс (каждый блок ПК связан с прочими блоками своими локальными проводами, применяется в простейших бытовых ПК);

односвязный интерфейс (все блоки ПК связаны друг с другом через общую или системную шину).

В качестве системного интерфейса используется системная шина .

В качестве системной шины могут использоваться:

шины расширений (шины общего назначения, позволяющие подключать большое число различных устройств);

локальные шины (специализируются на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса).

Системная шина включает:

кодовую шину данных (содержит провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода, по ней происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно);

кодовую шину адреса (включает провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства);

кодовую шину инструкций (содержит провода и схемы сопряжения для передачи инструкций во все блоки машины);

шину питания (имеет провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания).

Системная шина обеспечивает передачу информации:

Порты ввода-вывода всех блоков машины подключаются через соответствующие унифицированные разъемы непосредственно или через контроллеры (адаптеры).

Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с помощью ASCII-кодов.

Шины расширений:

шина РС/ХТ bus – 8-разрядная шина данных и 20-разрядная шина адреса, тактовая частота 4,77 МГц, имеет 4 линии для аппаратных прерываний и 4 канала для прямого доступа в память;

шина РС/АТ bus – 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, тактовая частота до 8 МГц, может использоваться и МП с тактовой частотой до 16 МГц, имеет 7 линий для аппаратных прерываний и 4 канала для прямого доступа в память;

шина ISA (Industry Standard Architecture) – 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, тактовая частота 8 МГц, может использоваться и МП с тактовой частотой до 50 МГц, имеет до 15 линий для аппаратных прерываний и до 11 каналов для прямого доступа в память, адресное пространство увеличено до 16 Мбайт, пропускная способность теоретически 16 Мбайт/с, практически – 4-5 Мбайт/с;

шина ЕISA (Extended ISA) – 32-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, тактовая частота 8-33 МГц, адресное пространство 4 Гбайта, пропускная способность до 33 Мбайта/с, улучшена система прерываний и обеспечено автоматическое конфигурирование системы и управление каналами для прямого доступа в память, увеличено число разъемов расширений (может подключаться теоретически до 15 устройств, практически – до 10), совместима с шиной ISA, применяется в скоростных ПК, сетевых серверах и рабочих станциях;

шина МSA – 32-разрядная шина данных и 32,64-разрядная шина адреса, тактовая частота 10-20 МГц, пропускная способность до 76 Мбайт/с, может подключаться до 15 устройств, близка к шине ЕISA, но не совместима ни с ISA, ни с ЕISA, применяется не очень широко.

Локальные шины:

шина VLB (VESA Local Bus) – 32,64-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, тактовая частота до 33 МГц, пропускная способность теоретически 132 Мбайт/с, практически – 80 Мбайт/с, малое количество подключаемых устройств – 4, могут быть конфликты между подключаемыми устройствами, жестко зависима от тактовой частоты МП;

шина PCI (Peripheral Component Interconnect) – 32,64-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, тактовая частота до 33 МГц, пропускная способность теоретически 132,264 Мбайт/с, практически – 50,100 Мбайт/с, количество подключаемых устройств – 10, может выполнять многие функции шины расширения, в настоящее время используется как шина для подключения внешних устройств;

шина FSB (Front Side Bus) – 32,64-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, тактовая частота до 133 МГц, пропускная способность до 800 Мбайт/с, используется для связи процессора и памяти, частота этой шины является одним из потребительских параметров;

шина AGP (Advanced Graphic Port) – 32,64-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, тактовая частота 33 или 66 МГц, пропускная способность до 1066 Мбайт/с, используется для связи с видеоадаптером;

шина USB (Universal Serial Bus) – пропускная способность до 1,5 Мбит/с, позволяет подключать до 256 устройств, имеющих последовательный интерфейс, практически исключает конфликты между различным оборудованием, позволяет подключать и отключать устройства в «горячем режиме» и позволяет объединять несколько компьютеров и простейшую локальную сеть без применения специального оборудования и программного обеспечения.

Использование в ПК шин VLB и PCI возможно при наличии соответствующей материнской платы.

Выпускаются материнские платы с мультишинной структурой VIP (по начальным буквам VLB, ISA, PCI).

Оперативная память (RAM – Random Access Memory) – это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные.

С точки зрения физического принципа действия различают:

динамическую память (DRAM) – ячейки можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Микросхемы используются в качестве основной ОП компьютера. Это наиболее распространенный и экономически доступный вид памяти. Недостаток – постоянно требуется регенерация (подзарядка) ячеек оперативной памяти, что вызывает непроизводительный расход вычислительной системы.

статистическую память (SRAM) – ячейки можно представить в виде микроэлементов (триггеров), состоящих из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает высокое быстродействие. Микросхемы этой памяти используют в качестве вспомогательной памяти (кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы компьютера.

Основная память содержит:

постоянное запоминающее устройство (ПЗУ служит для хранения неизменяемой программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию);

оперативное запоминающее устройство (ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации, участвующей в процессе в текущий момент времени, достоинство – быстродействие и возможность обращение к каждой ячейке памяти отдельно, недостаток – энергозависимость).

В момент включения компьютера в его оперативной памяти ничего нет (программ, команд). Поэтому сразу после включения на адресной шине процессора выставляется стартовый адрес. Это происходит аппаратно, без участия программ. Процессор обращается по указанному адресу за своей первой командой и начинает работать по программам.

Этот исходный адрес не может указывать на ОП, поскольку в ней пока ничего нет. Он указывает на ПЗУ. Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию даже при выключенном компьютере.

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

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

Основное назначение программ этого пакета:

проверить состав и работоспособность компьютерной системы;

обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков;

обеспечить возможность наблюдения на экране диагностических сообщений, сопровождающих запуск компьютера,

обеспечить при необходимости возможность вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры.

Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, в частности, накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках.

Их назначение – хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в ОЗУ.

Различаются конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации.

Магнитные диски – машинные носители информации.

Информация на МД записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей – дорожек (треков).

Количество дорожек на МД и их информационная емкость зависят от типа МД, конструкции накопителя на МД, качества магнитных головок и магнитного покрытия.

Каждая дорожка МД разбита на сектора по 128, 256, 512 или 1024 байт.

Обмен данными между НМД и ОП осуществляется последовательно целым числом секторов.

Кластер – минимальная единица размещения информации на диске, состоящая из одного или нескольких смежных секторов дорожки.

При записи и чтении информации МД вращается вокруг своей оси, а механизм управления магнитной головкой подводит ее к дорожке, выбранной для записи или чтения информации.

Файл – именованная область внешней памяти, выделенная для хранения массива данных.

Файл – последовательность произвольного числа байтов, обладающая уникальным собственным именем.

Имя файла может содержать адресные данные, сведения о типе данных, заключенных в нем. Хранение фалов организуется в иерархической структуре, называемой файловой.

Полное имя файла – собственное имя файла вместе с путем доступа к нему.

<имя носителя \ <имя каталога-1 \...\ <имя каталога-N \ <собственное имя файла

Данные на дисках хранятся в файлах. Файлу выделяется поле памяти, кратное некоторому количеству кластеров. Кластеры одного файла могут находиться в любом свободном месте и необязательно являются смежными.

Файлы, находящиеся в разбросанных по диску файлах, называются фрагментированными .

Форматирование дискеты – создание структуры записи информации на ее поверхности: разметка дорожек, секторов, записи маркеров и другой служебной информации.

Монитор – устройство, предназначенное для отображения информации, которую компьютер передает пользователю.

Размер экрана монитора измеряется по диагонали в дюймах.

Условно можно выделить группы:

мониторы с электронно-лучевой трубкой (изображение формируется лучом электронов, которые «поджигают» точки цветного люминофора, которым изнутри покрыта поверхность экрана. Каждый пиксель изображения состоит из трех цветных точек люминофора: красного, зеленого и синего. Поток электронов, используемый для формирования изображения на экране электронно-лучевого монитора, довольно силен, и не весь гасится люминофором и защитным покрытием экрана. Кроме того, для управления лучам, используются сильные магнитные поля. Все это приводит к тому, что электронно-лучевые мониторы хоть и в небольшой степени, но являются источниками вредных излучений);

жидкокристаллические мониторы (рабочий слой жидкокристаллических мониторов состоит из множества мелких жидких кристаллов, которые могут менять свой цвет и прозрачность под воздействием подаваемых на них небольших напряжений. Такие мониторы не излучают);

мультимедийные мониторы (электронные и жидкокристаллические мониторы, которые могут выполнять еще дополнительные функции: воспроизводить и воспринимать звук с помощью встроенных акустических систем и микрофона, и даже воспринимать изображение с помощью встроенной видеокамеры).

Дисплей может работать:

в текстовом режиме (экран дисплея разбивается на 25 строк по 80 символов в каждой строке. Этот режим служит для вывода заранее заданных символов: больших и малых латинских букв, букв русского алфавита, цифр и других различных символов);

в графическом режиме (на экран дисплея изображение выводится по точкам, (пикселям). В таком режиме, как правило, создаются рисунки и строятся графики, при выводе в таком режиме текстовой информаций быстродействие будет ниже, т.к. каждый символ необходимо прорисовывать по точкам).

Разрешающая способность – основной параметр, характеризующий качество графического изображения на экране дисплея, определяется количеством точек по вертикали и горизонтали.

Точка (пиксель) – некоторая минимальная область экрана, в которой происходит смешивание красного, синего и зеленого лучей, интенсивность которых и определяет цвет в данной точке.

Дисплей VGA 640x480 означает, что дисплей типа VGA с количеством точек по горизонтали 640, а по вертикали 480. Разрешающая способность хороших мониторов достигает 1280х1024 и выше.

Кроме того, каждый дисплей характеризуется количеством воспроизводимых цветов, которое может колебаться от 2 (черно-белое изображение) до 256 и выше (16 млн. цветов – дисплеи Super VGA). Чем лучше дисплей, тем больше цветов он может воспроизвести.

Клавиатура компьютера – устройство для ввода команд и текста.

Группы клавиш по назначению:

блок алфавита (содержат клавиши для ввода текстовых символов. Первый сверху ряд состоит из клавиш с цифрами, над которыми изображены специальные символы. В зависимости от нажатия специальных клавиш можно печатать цифры или символы. Для ввода заглавных и других символов, располагающихся на верхнем регистре клавиатуры, служит клавиша «Shift»);

функциональные клавиши F1, …, F12 (находятся вверху клавиатуры и предназначены для быстрого ввода повторяющихся команд одной клавишей в различных программах. Напр., клавиша F10 часто используется для выхода из программ, а клавиша F1 – для вызова справки или подсказки);

клавиши управления курсором (предназначены для передвижения по тексту или командам меню, находятся в нижней части клавиатуры, справа от алфавитного блока. Текстовый курсор – специальный символ, который указывает место в строке, куда будет вводиться следующий символ);

цифровой блок (при нажатой клавише «NumLock» включается соответствующая лампочка, и можно использовать этот блок для ввода цифр. Если лампочка не горит, то с помощью клавиш цифрового блока можно управлять передвижением текстового курсора);

служебные клавиши

Ctrl» и «Alt» обычно действуют только при одновременном нажатии с другими клавишами и увеличивают количество выполняемых с помощью функциональных клавиш команд.

«Esc» помогает отменить любую команду.

«Caps Lock» служит для фиксации режима заглавных букв. При ее нажатии загорается индикатор в правой верхней части клавиатуры. Переключение клавиатуры с режима ввода русских букв на режим ввода латинских символов осуществляется с помощью специально назначенных клавиш.

«Enter» (ввод) (предназначена для перевода курсора на начало следующей строки, также используется для ввода команд в операционной системе).

«Back Space» (изображена стрелкой влево) позволяет передвинуть курсор на одну позицию влево и стирает символ, находящийся в этой позиции.

«Delete» (удаление) используется для удаления символа, на котором находится курсор. При этом сам курсор остается на прежнем месте, а все символы справа от курсора сдвигаются на одну позицию влево.

«Insert» (вставка) предназначена для перехода из режима вставки в режим замены и обратно. В режиме вставки вводимые символы появляются на том месте, где расположен курсор, а часть строки, расположенная справа от курсора, сдвигается при каждом нажатии клавиши на одну позицию вправо. В режиме замены сдвига текста, расположенного справа от курсора, не происходит, а вводимые символы появляются на месте старых, затирая их.

«PgUp», «PgDown » служат для постраничного перемещения по экрану вверх и вниз соответственно.

«Home» и «End» предназначены для перемещения курсора в начало и конец строк соответственно.

«Tab» служит для сдвига курсора на несколько () позиций вправо, обычно 4 или 8.

«Print Screen» служит для сохранения текущего состояния экрана в специальной области ОП, называемой буфером обмена.

«Scroll Lock» переключает режим работы в некоторых программах (как правило, устаревших).

«Pause/Break» осуществляет приостановку/ прерывание процесса.

Мышь – устройство управления манипуляторного типа, предназначенное для управления программами компьютера.

Перемещение мыши по плоской поверхности синхронизировано с перемещением графического объекта (указателя мыши) по экрану монитора.

На корпусе мыши расположены две или три кнопки управления. В трехкнопочных манипуляторах обычно используются только крайние кнопки, а средняя кнопка используется для работы лишь с некоторыми видами программ. Иногда средняя кнопка выполняется в виде колесика.

Функциональные характеристики ПК:

быстродействие, производительность, тактовая частота;

разрядность машины и кодовых шин интерфейса;

типы системного и локального интерфейсов;

ёмкость оперативной памяти;

ёмкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера);

тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках;

виды и емкость КЭШ-памяти;

тип видеомонитора и видеоадаптера;

наличие математического сопроцессора;

имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы;

аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ;

возможность работы в вычислительной сети;

возможность работы в многозадачном режиме;

надежность;

стоимость;

габариты и масса.

На бытовом уровне термин «архитектура» у большинства людей прочно ассоциируется с различными зданиями и другими инженерными сооружениями. Так, можно говорить об архитектуре готического собора, Эйфелевой башни или оперного театра. В других областях этот термин применяется достаточно редко, однако для компьютеров понятие «архитектура ЭВМ» (электронно-вычислительная машина) уже прочно устоялось и широко используется, начиная с 70-х годов прошлого века. Для того чтобы разобраться в том, каким образом происходит выполнение программ, сценариев на компьютере, необходимо в первую очередь знать, как устроена работа каждой из его составляющих. Основы учения об архитектуре вычислительных машин, которые рассматриваются на уроке, были заложены Джоном фон Нейманом. Более подробно о логических узлах, а также о магистрально-модульном принципе архитектуры современных персональных компьютеров можно будет узнать на этом уроке.

Принципы, лежащие в основе архитектуры ЭВМ, были сформулированы в 1945 году Джоном фон Нейманом, который развил идеи Чарльза Беббиджа, представлявшего работу компьютера как работу совокупности устройств: обработки, управления, памяти, ввода-вывода.

Принципы фон Неймана.

1. Принцип однородности памяти. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

2. Принцип адресуемости памяти. Основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так чтобы к хранящимся в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

3. Принцип последовательного программного управления. Предполагает, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

4. Принцип жесткости архитектуры. Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.

Компьютеры, построенные на принципах фон Неймана, имеют классическую архитектуру, но, кроме нее, существуют другие типы архитектуры. Например, Гарвардская. Ее отличительными признаками являются:

• хранилище инструкций и хранилище данных представляют собой разные физические устройства;
• канал инструкций и канал данных также физически разделены.

В истории развития вычислительной техники качественный скачок происходил примерно каждые 10 лет. Такой скачок связывает с появлением нового поколения ЭВМ. Идея делить машины появилась по причине того, что за время короткой истории своего развития компьютерная техника проделала большую эволюцию как в смысле элементной базы (лампы, транзисторы, микросхемы и др.), так и в смысле изменения ее структуры, появления новых возможностей, расширения областей применения и характера использования. Более подробно все этапы развития ЭВМ показаны на Рис. 2. Для того чтобы понять, как и почему одно поколение сменялось другим, необходимо знать смысл таких понятий, как память, быстродействие, степень интеграции и т. д.

Рис. 2. Поколения ЭВМ ()

Среди компьютеров не классической, не фон Неймановской архитектуры, можно выделить так называемые нейрокомпьютеры. В них моделируется работа клеток головного мозга человека, нейронов, а также некоторых отделов нервной системы, способных к обмену сигналами.

Каждый логический узел компьютера выполняет свои функции. Функции процессора (Рис. 3):

- обработка данных (выполнение над ними арифметических и логических операций);

- управление всеми остальными устройствами компьютера.

Рис. 3. Центральный процессор компьютера ()

Программа состоит из отдельных команд. Команда включает в себя код операции, адреса операндов (величин, которые участвуют в операции) и адрес результата.

Выполнение команды делится на следующие этапы:

· выборку команды;

• формирование адреса следующей команды;
• декодирование команды;
• вычисление адресов операндов;
• выборку операндов;
• исполнение операции;
• формирование признака результата;
• запись результата.

Не все из этапов присутствуют при выполнении любой команды (зависит от типа команды), однако этапы выборки, декодирования, формирования адреса следующей команды и исполнения операции имеют место всегда. В определенных ситуациях возможны еще два этапа:

• косвенная адресация;
• реакция на прерывание.

Оперативная память (Рис. 4) устроена следующим образом:

• прием информации от других устройств;
• запоминание информации;
• передача информации по запросу в другие устройства компьютера.

Рис. 4. ОЗУ (Оперативное запоминающее устройство) компьютера ()

В основе архитектуры современных ЭВМ лежит магистрально-модульный принцип (Рис. 5). Модульный принцип позволяет комплектовать нужную конфигурацию и производить необходимую модернизацию. Он опирается на шинный принцип обмена информацией между модулями. Системная шина или магистраль компьютера включает в себя несколько шин различного назначения. Магистраль включает в себя три многоразрядные шины:

• шину данных;
• шину адреса;
• шину управления.

Рис. 5. Магистрально-модульный принцип построения ПК

Шина данных используется для передачи различных данных между устройствами компьютера; шина адреса применяется для адресации пересылаемых данных, то есть для определения их местоположения в памяти или в устройствах ввода/вывода; шина управления включает в себя управляющие сигналы, которые служат для временного согласования работы различных устройств компьютера, для определения направления передачи данных, для определения форматов передаваемых данных и т. д.

Такой принцип справедлив для различных компьютеров, которые можно условно разделить на три группы:

• стационарные;
• компактные (ноутбуки, нетбуки и т. д.);
• карманные (смартфоны и пр.).

В системном блоке стационарного компьютера или в корпусе компактного находятся основные логические узлы - это материнская плата с процессором, блок питания, накопители внешней памяти и т. д.

Список литературы

1. Босова Л.Л. Информатика и ИКТ: Учебник для 8 класса. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012.

2. Босова Л.Л. Информатика: Рабочая тетрадь для 8 класса. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010.

3. Астафьева Н.Е., Ракитина Е.А., Информатика в схемах. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010.

4. Танненбаум Э. Архитектура компьютера. - 5-е изд. - СПб.: Питер, 2007. - 844 с.

1. Интернет портал «Все советы» ()

2. Интернет портал «Электронная энциклопедия “Компьютер”» ()

3. Интернет портал «apparatnoe.narod.ru» ()

Домашнее задание

1. Глава 2, §2.1, 2.2. Босова Л.Л. Информатика и ИКТ: Учебник для 8 класса. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012.

2. Как расшифровывается аббревиатура ЭВМ?

3. Что подразумевает термин «Архитектура компьютера»?

4. Кем были сформулированы основные принципы, лежащие в основе архитектуры ЭВМ?

5. На чем основывается архитектура современных ЭВМ?

6. Назовите основные функции центрального процессора и оперативной памяти ПК.