Компьютеры принимают, перерабатывают, хранят и выдают информацию



Скачать 376.4 Kb.
страница1/2
Дата17.12.2017
Размер376.4 Kb.
ТипЛекция
  1   2

Лекция 4.

Устройство ПК

Классификация компьютеров.

Весь спектр современных вычислительных систем можно разделить на три больших класса: мини-ЭВМ (включая персональные компьютеры), мейнфреймы, суперкомпьютеры. В настоящее время эти классы разнятся не столько по внешнему виду, сколько по функциональным возможностям.

Существование различных типов компьютеров определяется различием задач, для решения которых они предназначены. С течением времени появляются новые типы задач, что приводит к появлению новых типов компьютеров. Поэтому приведенное ниже деление очень условно.

ПК. Современные персональные компьютеры имеют практически те же характеристики, что и мини-ЭВМ восьмидесятых годов: 32- и 64-разрядную архитектуру и шинную организацию системы. В настоящее время класс мини-ЭВМ чрезвычайно разнообразен: от ноутбуков и палмтопов до мощных серверов для систем масштаба предприятия. Генетическими признаками этого класса машин является шинная организация системы, при которой все устройства «нанизываются» на общую магистраль, и стандартизация аппаратных и программных средств.

Мейнфреймы — универсальные электронно-вычислительные машины общего назначения. Мейнфреймы активно используются в финансовой сфере, оборонном комплексе и занимают от 10 до 15% компьютерного рынка.

Суперкомпьютеры -- специальный тип компьютеров, создающихся для решения предельно сложных вычислительных задач (составления прогнозов, моделирования сложных явлений, обработки сверхбольших объемов информации). Принцип работы суперкомпьютера заключается в том, что он способен выполнять несколько операций параллельно.

Одной из ведущих компаний мира в производстве суперкомпьютеров является компания Cray Research. Ее основатель, человек-легенда Сеймур Крей, уже в середине 70-х годов построил компьютер Cray-1, который поражал мир своим быстродействием: десятки и даже сотни миллионов арифметических операций в секунду.

Как известно, скорость распространения любого сигнала не превышает скорости света в вакууме -- 300 тысяч километров в секунду, или 300 миллионов метров в секунду. Если компьютер выполняет 300 миллионов операций в секунду, то за время выполнения одной операции сигнал успевает пройти не более одного метра. Отсюда следует, что расстояние между частями суперкомпьютера, выполняющими одну операцию, не может превосходить нескольких десятков сантиметров. И действительно, суперкомпьютеры компании Cray были очень компактны и выглядели как "бублик" диаметром менее двух метров. Этот "бублик" занимался только вычислениями. Для общения с человеком и доставки данных для вычислений к "бублику" были подключены несколько достаточно производительных обычных компьютеров.
Кроме этого следует выделить еще два типа компьютеров: специализированные компьютеры-серверы; встроенные компьютеры-невидимки (микропроцессоры). Кроме привычных компьютеров с клавиатурами, мониторами, дисководами, сегодняшний мир вещей наполнен компьютерами-невидимками. Микропроцессор представляет собой компьютер в миниатюре. Кроме обрабатывающего блока, он содержит блок управления и даже память (внутренние ячейки памяти). Это значит, что микропроцессор способен автономно выполнять все необходимые действия с информацией. Многие компоненты современного персонального компьютера содержат внутри себя миниатюрный компьютер. Массовое распространение микропроцессоры получили и в производстве, там где управление может быть сведено к отдаче ограниченной последовательности команд.

Микропроцессоры незаменимы в современной технике. Например, управление современным двигателем -- обеспечение экономии расхода топлива, ограничение максимальной скорости движения, контроль исправности и т. д. -- немыслимо без использования микропроцессоров. Еще одной перспективной сферой их использования является бытовая техника -- применение микропроцессоров придает ей новые потребительские качества.





Настольные ПК, поддерживающие одно рабочее место, составляют наиболее многочисленную группу персональных компьютеров, или микро-ЭВМ. До появления портативных ПК слова «настольный» и «персональный» были синонимами. Настольные ПК еще называют компьютерами для рабочего места или офисными компьютерами (хотя в настоящее время офисные ПК чаще называют рабочими станциями). Подавляющее большинство домашних компьютеров также являются настольными. И те, и другие имеют практически одинаковые характеристики: 32- и 64-разрядную архитектуру и шинную организацию системы, применяют стандартизованные аппаратные и программные средства.
Большинство настольных ПК относятся к двум большим группам: IBM-совместимые ПК и ПК Apple Macintosh. Компьютеры из этих групп не совместимы друг с другом, т. е. полностью или частично не способны использовать аппаратные средства и программные продукты друг друга.


Настольные ПК имеют системный блок, содержащий источник питания, материнскую плату с процессором, жесткий диск, дисководы, монитор, клавиатуру, мышь. К ним могут подключаться факс, модем и другие внешние устройства, например аудиоколонки. В некоторых моделях домашних ПК системный блок с монитором собраны в едином корпусе (Apple iMac, Acer Aspire, Compaq Presario).

В 1981 году американская фирма IBM развернула производство персональных компьютеров IBM PC, работающих под управлением операционной системы DOS, разработанной специалистами фирмы Microsoft. Компьютеры IBM PC пользовались коммерческим успехом, и многие фирмы-производители электронной техники наладили выпуск клонов IBM PC. Так появился класс IBM-совместимых компьютеров, которые могли использовать большинство внешних устройств и программ, предназначенных для IBM PC. Принцип совместимости обеспечил значительную экономию средств и времени при модернизации старых и создании новых компьютеров.

Все IBM-совместимые компьютеры могут использовать операционную систему Microsoft DOS (PS-DOS у IBM, MS-DOS у ПК других производителей) или Windows и процессоры Intel (или совместимые с ними). Альтернативой IBM-совместимым персональным компьютерам являются компьютеры Apple Macintosh.


К
омпьютеры принимают, перерабатывают, хранят и выдают информацию. Действиями компьютера управляет оператор. Длинные последовательности инструкций заранее фиксируются в программах. Вычислительные операции совершает центральный процессор. Согласно принципам работы ЭВМ, сформулированным в 1945 году американским математиком Джоном фон Нейманом, центральный процессор состоит из двух частей. Устройство управления воспринимает команды программ и организует их выполнение. Арифметико-логическое устройство выполняет вычисления.

Данные хранятся в различных запоминающих устройствах. Для долговременного хранения информации используются постоянные носители, которые служат для ввода данных и вывода результатов работы. Для хранения выполняемых в данный момент программ и промежуточных данных используется оперативная память, которая работает значительно быстрее постоянных носителей.

Аппаратным обеспечением являются все внутренние компоненты и внешние устройства компьютера — интегральные микросхемы (в том числе микропроцессоры), дисководы, системные и интерфейсные платы, мониторы, принтеры, манипуляторы, модемы и т.д.

Программное обеспечение представляет собой наборы инструкций для ЭВМ, необходимые для управления работой компьютера и выполнения с его помощью полезных задач.

Главной особенностью конструкции компьютера является программный принцип работы.

Принцип программы, хранимой в памяти компьютера, считается важнейшей идеей современной компьютерной архитектуры. Суть идеи заключается в том, что

1)  программа вычислений вводится в память ЭВМ и хранится в ней наравне с исходными числами;

2)  команды, составляющие программу, представлены в числовом коде по форме ничем не отличающемся от чисел.


Внутренние и внешние устройства.

Под архитектурой компьютера понимается его логическая организация, структура, ресурсы, т. е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки. Архитектура современных ПК основана на магистрально-модульном принципе.

Модульный принцип позволяет потребителю самому подобрать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости его модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информации. Магистраль или системная шина -- это набор электронных линий, связывающих воедино передачу данных и служебных сигналов в процессор, память и периферийные устройства. Обмен информацией между отдельными устройствами ЭВМ производится по трем многоразрядным шинам, соединяющим все модули, -- шине данных, шине адресов и шине управления.

Разрядность шины данных задается разрядностью процессора, т. е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. Данные по шине данных могут передаваться как от процессора к какому-либо устройству, так и в обратную сторону, т. е. шина данных является двунаправленной. К основным режимам работы процессора с использованием шины передачи данных можно отнести следующие: запись/чтение данных из оперативной памяти и из внешних запоминающих устройств, чтение данных с устройств ввода, пересылка данных на устройства вывода.

Выбор абонента по обмену данными производит процессор, который формирует код адреса данного устройства, а для ОЗУ -- код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине, причем сигналы передаются в одном направлении, от процессора к устройствам, т. е. эта шина является однонаправленной.

По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией, и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией.

Внешние устройства к шинам подключаются посредством интерфейса. Под интерфейсом понимают совокупность различных характеристик какого-либо переферийного устройства ПК, определяющих организацию обмена информацией между ним и центральным процессором. В случае несовместимости интерфейсов (например, интерфейс системной шины и интерфейс винчестера) используют контроллеры.


Чтобы устройства, входящие в состав компьютера, могли взаимодействовать с центральным процессором, в IBM-совместимых компьютерах предусмотрена система прерываний (Interrupts). Система прерываний позволяет компьютеру приостановить текущее действие и переключиться на другие в ответ на поступивший запрос, например, на нажатие клавиши на клавиатуре. Ведь с одной стороны, желательно, чтобы компьютер был занят возложенной на него работой, а с другой -- необходима его мгновенная реакция на любой требующий внимания запрос. Прерывания обеспечивают немедленную реакцию системы.


В состав ЭВМ входят следующие компоненты:

  • центральный процессор (CPU);

  • оперативная память (memory);

  • устройства хранения информации (storage devices);

  • устройства ввода (input devices);

  • устройства вывода (output devices);

  • устройства связи (communication devices).

Системный блок персонального компьютера содержит корпус и находящиеся в нем источник питания, материнскую (системную, или основную) плату с процессором и оперативной памятью, платы расширения (видеокарту, звуковую карту), различные накопители (жесткий диск, дисководы, приводы CD-ROM), дополнительные устройства.

Системный блок обычно имеет несколько параллельных и последовательных портов, которые используются для подключения устройств ввода и вывода, таких как клавиатура, мышь, монитор, принтер.





Главным узлом, определяющим возможности компьютера, является системная, или материнская плата. На ней обычно размещаются:

базовый микропроцессор;

оперативная память;

сверхоперативное ЗУ, называемое также кэш-памятью;

ПЗУ с системной BIOS (базовой системой ввода/вывода),

набор управляющих микросхем, или чипсетов (chipset), вспомогательных микросхем и контроллеров ввода/вывода;

КМОП-память с данными об аппаратных настройках и аккумулятором для ее питания;

разъемы расширения, или слоты (slot);




разъемы для подключения интерфейсных кабелей жестких дисков, дисководов, последовательного и параллельного портов, инфракрасного порта, а также универсальной последовательной шины USB; разъемы питания; преобразователь напряжения с 5В на более низкое для питания процессора (например, процессоры i486DX4, Intel Pentium, Intel Pentium Pro потребляют 3,3 В, а современные Intel Pentium III и 4, равно как AMD Athlon и Duron потребляют менее 2В); разъем для подключения клавиатуры и ряд других компонентов.

Для подключения индикаторов, кнопок и динамика, расположенных на корпусе системного блока, на материнской плате имеются специальные миниатюрные разъемы-вилки. Подобные же разъемы служат как контакты для перемычек при задании аппаратной конфигурации системы. Если на системной плате сосредоточены все элементы, необходимые для его работы, то она называется All-In-One. У большинства персональных компьютеров системные платы содержат лишь основные функциональные узлы, а остальные элементы расположены на отдельных печатных платах (платах расширения), которые устанавливаются в разъемы расширения. Например, устройство формирования изображения на экране монитора — видеоадаптер пока чаще всего располагается на отдельной плате расширения — видеокарте. Все компоненты материнской платы связаны друг с другом системой проводников (линий), по которым происходит обмен информацией. Эту совокупность линий называют шиной. В отличие от других систем соединения, линии шины делятся на три группы в зависимости от типа передаваемой информации: линии данных, линии адреса и линии управления. Шины в PC различаются и по своему функциональному назначению.

Важнейший компонент любого персонального компьютера, его «мозг» — это микропроцессор (CPU, Central Processor Unit — ЦПУ, или центральное процессорное устройство), который управляет работой компьютера и выполняет большую часть обработки информации. Микропроцессор представляет собой сверхбольшую интегральную схему, степень интеграции которой определяется размером кристалла и количеством реализованных в нем транзисторов. Иногда интегральные микросхемы называют чипами (англ. chip). Базовыми элементами микропроцессора являются транзисторные переключатели, на основе которых строятся, например, регистры, представляющие собой совокупность устройств, имеющих два устойчивых состояния и предназначенных для хранения информации и быстрого доступа к ней. Количество и разрядность регистров во многом определяют архитектуру микропроцессора.

Выполняемые микропроцессором команды предусматривают, как правило, арифметические действия, логические операции, передачу управления (условную и безусловную) и перемещение данных (между регистрами, оперативной памятью и портами ввода/вывода). С внешними устройствами микропроцессор может общаться благодаря своим шинам адреса, данных и управления, выведенным на специальные контакты корпуса микросхемы. Процесс общения процессора с внешним миром через устройства ввода-вывода по сравнению с информационными процессами внутри него протекает в сотни и тысячи раз медленнее. Это связано с тем, что устройства ввода и вывода информации часто имеют механический принцип действия (принтеры, клавиатура, мышь) и работают медленно. Чтобы освободить процессор от простоя при ожидании окончания работы таких устройств, в компьютер вставляются специализированные микропроцессоры-контроллеры (от англ. controller -- управляющий). Получив от центрального процессора компьютера команду на вывод информации, контроллер самостоятельно управляет работой внешнего устройства. Окончив вывод информации, контроллер сообщает процессору о завершении выполнения команды и готовности к получению следующей.

Число таких контроллеров соответствует числу подключенных к процессору устройств ввода и вывода. Так, для управления работой клавиатуры и мыши используется свой отдельный контроллер. Известно, что даже хорошая машинистка не способна набирать на клавиатуре больше 300 знаков в минуту, или 5 знаков в секунду. Чтобы определить, какая из ста клавиш нажата, процессор, не поддержанный контроллером, должен был бы опрашивать клавиши со скоростью 500 раз в секунду. Конечно, по его меркам это не бог весть какая скорость. Но это значит, что часть своего времени процессор будет тратить не на обработку уже имеющейся информации, а на ожидание нажатий клавиш клавиатуры.

Таким образом, использование специальных контроллеров для управления устройствами ввода-вывода, усложняя устройство компьютера, одновременно разгружает его центральный процессор от непроизводительных трат времени и повышает общую производительность компьютера.

Микропроцессор, как универсальный блок обработки информации был разработан в 1962 году. Американская корпорация Intel в 1971 году начала выпуск микропроцессоров 4004, работавших с четырехразрядными двоичными цифрами. Первенец Intel состоял из 2300 транзисторов. Усовершенствование микропроцессоров шло ускоренными темпами. В 1978 году был создан восьмиразрядный микропроцессор 8080, а в 1981 — шестнадцатиразрядный микропроцессор 8086 и 8088. Именно на его основе был начат выпуск персональных компьютеров. В 1982 году на базе шестнадцатиразрядного микропроцессора 80286 корпорация IBM наладила производство персональных компьютеров IBM PC, клоны которого получили широчайшее распространение по всему миру.

В 1985 году был создан 32-разрядный микропроцессор i386, содержавший 275 тысяч транзисторов и обеспечивавший 5 миллионов операций в секунду. В 1989 году появился микропроцессор i486, который содержал 1,2 миллиона транзисторов и обладал быстродействием 20 миллионов операций в секунду. В 1993 году был создан 32-разрядный микропроцессор Pentium, который содержал 3,1 миллиона транзисторов и обладал быстродействием 90 миллионов операций в секунду.

Микропроцессоры Pentium III обеспечивают быстродействие 800 миллионов операций в секунду при тактовой частоте 800 МГц. Все эти успехи были достигнуты за счет миниатюризации микросхем. В 1999 году расстояние между транзисторами было уменьшено до 0,18 микрон. Но вскоре разработчики подойдут к рубежу, за которым начинаются фундаментальные физические ограничения. Далее прогнозируется появление молекулярных вычислительных устройств. В них для хранения и преобразования информации предполагают использовать вместо электрических зарядов и импульсов — химические состояния молекул.





Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2


База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница