Зенкина о. Н., Ходакова н. П., Голикова н. Н


Глава 2. Общие принципы организации и работы компьютеров



страница3/7
Дата01.12.2017
Размер1.37 Mb.
ТипРеферат
1   2   3   4   5   6   7
Глава 2. Общие принципы организации и работы компьютеров


    1. .Постоянная и оперативная память (ПЗУ и ОЗУ). Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Устройства ввода и вывода. Архитектура компьютера. Центральный процессор. Микропроцессоры


Компьютер (от англ. слова вычислитель) – представляет собой многофункциональное программируемое электронное устройство, предназначенное для обработки, накопления и передачи информации.

Существуют два основных класса компьютеров:

1) цифровые компьютеры, обрабатывающие сигналы в виде числовых двоичных кодов;

2) аналоговые компьютеры, обрабатывающие непрерывно-меняющиеся физические величины (электрическое напряжение, время и т.д.), которые являются аналогами вычисляемых величин.

В настоящее время подавляющее число компьютеров являются цифровыми. Поэтому далее будем рассматривать этот класс компьютеров и под словом «компьютер» – понимать цифровой компьютер.

Компьютеры работают с очень высокой скоростью, составляющей несколько млн. операций/сек.

Разнообразие их очень велико, но их структуры основаны на общих

логических принципах, позволяющих выделить в любом компьютере следующие главные устройства [3]:











Рис. 5. Схема основных устройств компьютера, предложенная
Джоном фон Нейманом в 1946 г.
Таким образом, в состав компьютера входит 5 основных устройств:

1) Устройство ввода служит для ввода исходной информации;

2) Устройство вывода служит для вывода результатов вычислений;

3) АЛУ служит для выполнения арифметических и логических операций;

4) УУ служит для управления всего компьютера в результате вычислений;

АЛУ вместе с УУ образуют процессор.

5) ОЗУ служит для приема, хранения и выдачи информации по запросу
в другие устройства машины.

Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация.



Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, систему команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), внешних запоминающих устройств (ВЗУ) и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Иначе говоря, под архитектурой персонального компьютера понимается его логическая организация, структура и ресурсы, т. е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени.

В основу построения большинства компьютеров положены принципы, сформулированные Джоном фон Нейманом:

– принцип программного управления – программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности;

– принцип однородности памяти – программы и иные хранятся
в одной и той же памяти; над командами можно выполнять те же действия, что и над данными;

– принцип адресности – основная память структурно состоит


из пронумерованных ячеек.

Компьютеры, построенные на этих принципах, имеют классическую архитектуру.



Структура компьютера – это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые разные устройства: от основных логических узлов компьютера
до простейших схем, с помощью которых можно дать описание
на любом уровне детализации.

Основным рабочим компонентом любого компьютера является центральный процессор.



Центральный процессор (CPU от англ. Central Processing Unit) выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему – тонкую пластинку кристаллического кремния, прямоугольной формы, площадью всего несколько квадратных мм, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. У компьютеров четвёртого поколения и старше функции центрального процессора выполняет микропроцессор на основе СБИС, содержащей несколько миллионов элементов, конструктивно созданный на полупроводниковом кристалле путём применения сложной микроэлектронной технологии.

В состав центрального процессора входят:

устройство управления организует процесс выполнения программ и координирует взаимодействие всех устройств ЭВМ во время её работы;

арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические операции над данными: сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение и др.;

запоминающее устройство – это внутренняя память процессора.

Регистры служит промежуточной быстрой памятью, используя которые, процессор выполняет расчёты и сохраняет промежуточные результаты. Для ускорения работы с оперативной памятью используется кэш-память, в которую с опережением подкачиваются команды и данные из оперативной памяти, необходимые процессору для последующих операций.

Генератор тактовой частоты генерирует электрические импульсы, синхронизирующие работу всех узлов компьютера. В ритме генератора тактовой частоты работает центральный процессор.

К основным характеристикам процессора относятся:

быстродействие (вычислительная мощность) – это среднее число операций процессора в секунду;

тактовая частота, равная количеству тактов в секунду. Такт – это промежуток времени между началом подачи текущего импульса генератора тактовой частоты и началом подачи следующего. Тактовая частота отражает уровень промышленной технологии, по которой изготавливался данный процессор;

разрядность процессора – это максимальное количество бит информации, которые могут обрабатываться и передаваться процессором одновременно. Разрядность процессора определяется разрядностью регистров, в которые помещаются обрабатываемые данные.

В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров, такие системы называются многопроцессорными.

С точки зрения реализации процесса обработки информации


на основе современных достижений вычислительной техники можно выделить следующие виды обработки:

– последовательная обработка, применяемая в традиционной фоннеймановской архитектуре ЭВМ, располагающей одним процессором;

– параллельная обработка, применяемая при наличии нескольких процессоров в ЭВМ;

– конвейерная обработка, связанная с использованием в архитектуре ЭВМ одних и тех же ресурсов для решения разных задач.

Скажем несколько слов об истории развития микропроцессорной техники и ее связи с создаваемым для нее программным обеспечением.

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

В 1972 году появился 8-битный микропроцессор Intel 8008. Размер его регистров соответствовал стандартной единице цифровой информации – байту. Процессор Intel 8008 являлся простым развитием Intel 4004.

Но в 1974 году был создан гораздо более интересный микропроцессор Intel 8080. С самого начала разработки он закладывался как 8-битный чип. У него было более широкое множество микрокоманд (множество микрокоманд 8008 было расширено). Кроме того, это был первый микропроцессор, который мог делить числа. И до конца 70-х годов микропроцессор Intel 8008 стал стандартом для микрокомпьютерной индустрии.

Несколько инженеров фирмы имели идеи по усовершенствованию 8080. Они покинули Intel, чтобы реализовать их. Ими была организована Zilog Corporation, которая подарила миру микропроцессор Z80.
В действительности Z80 являлся дальнейшей разработкой микропроцессора 8080. Было просто увеличено число его команд, что позволило создать и использовать на персональных компьютерах стандартные операционные системы.

И хотя в 1973 году на рынке и господствовала горстка производителей, в том числе IBM, DEC, Hewlett-Packard, и их доходы этих фирм исчислялись миллиардами долларов и основывались, главным образом, на больших системах (мэйнфреймах) и миникомпьютерах, но до них еще не дошла важность микропроцессоров, и компании не строили планы об использовании этого новшества. Это оставило щелку для мелких предпринимателей, которые незамедлительно разработали новую технологию, радикально изменившую стандарты конструирования и применения компьютеров.

Кроме того, огромную роль в популяризации персональных компьютеров сыграли компьютерные журналы. Такие издания как «Radio Electronics» и «Popular Electronics» разжигали интерес к потенциалу микрокомпьютеров. По всей территории США возникли клубы любителей. Самым примечательным был компьютерный клуб Homebrew, образованный в марте 1975 года в Менло-Парке (штат Калифорния).
В состав его первых членов входили Стив Джобс и Стив Возняк, позднее основавшие компанию Apple Macintosh (об истории этого клуба и истории возникновения и дальнейшего развития, созданной впоследствии, компании Apple можно прочитать в книге Стива Возняка: «Стив Джобс и я: подлинная история компании Apple»).

Поэтому, когда появился первый микрокомпьютер, на него сразу же возник огромный спрос среди тысяч любителей, интерес которых подпитывался ежемесячно появлявшимися статьями в журналах.

Этим первым микрокомпьютером был «Altair-8800», созданный
в 1974 году небольшой компанией в Альбукерке (штат Нью-Мексико). История его создания такова: Эд Робертс, организовавший в 1968 году компанию MITS (Micro Instrumentation and Telemetry Systems), занимался производством калькуляторов. В 1973 году вследствие жесткой конкуренции со стороны Texas Instruments он оказался на грани банкротства, и вынужден был искать новую нишу на рынке. Робертса заинтересовал микропроцессор 8080, выпущенный Intel в апреле 1974 года, и уверенный в том, что этот микропроцессор может стать основой микрокомпьютера, он сам создал такую машину.

Этот компьютер продавался по цене около 500 дол. И хотя возможности его были весьма ограничены (оперативная память составляла всего 256 байт, клавиатура и экран отсутствовали), а также имелись серьезные недостатки по эксплуатации, «Altair-8800» стал бестселлером.

Тысячи любителей, всегда мечтавших о собственном компьютере, безрассудно заказывали практически бесполезную для себя вещь. Так, из маленького американского городка, началось триумфальное шествие персонального компьютера по миру, изменяя жизнь, быт и даже мышление людей.

Позже покупатели сами снабжали этот компьютер дополнительными устройствами: монитором для вывода информации, клавиатурой, блоками расширения памяти и т.д. Вскоре эти устройства стали выпускаться другими фирмами. В конце 1975 году Пол Аллен и Билл Гейтс (будущие основатели фирмы Мicrosoft) создали для компьютера «Альтаир» интерпретатор языка Ваsic (Бейсик), что позволило пользователям достаточно просто общаться с компьютером и легко писать для него программы. Это также способствовало популярности персональных компьютеров.

Успех Альтаир-8800 заставил многие фирмы также заняться производством персональных компьютеров. Персональные компьютеры стали продаваться уже в полной комплектации, с клавиатурой
и монитором, спрос на них составил десятки, а затем и сотни тысяч штук
в год.

В 1979 году фирма Intel выпустила новый микропроцессор Intel 8086/8088. Тогда же и появился первый сопроцессор Intel 8087. Тактовые частоты, на которых мог работать микропроцессор Intel-8086/8088:


4.77, 8 и 10 МГц.

В конце 70-х годов распространение персональных компьютеров даже привело к некоторому снижению спроса на большие компьютеры и мини-компьютеры (мини-ЭВМ). Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IВМ – ведущей компании по производству больших компьютеров, и в 1979 году фирма IВМ решила попробовать свои силы


на рынке персональных компьютеров.

Прежде всего, в качестве основного микропроцессора компьютера был выбран новейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intе1 8088.


Его использование позволило значительно увеличить потенциальные возможности компьютера, так как новый микропроцессор позволял работать с 1 Мбайтом памяти, а все имевшиеся тогда компьютеры были ограничены 64 Кбайтами. В компьютере были использованы и другие комплектующие различных фирм, а его программное обеспечение было поручено разработать небольшой тогда еще фирме Microsoft. И таким образом в 1981 году появилась первая версия операционной системы для компьютера IBM РС – MS DOS 1.0. В дальнейшем по мере совершенствования компьютеров IВМ РС выпускались и новые версии DOS, учитывающие новые возможности компьютеров и предоставляющие дополнительные удобства пользователю.

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

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

Если бы IВМ РС был сделан так же, как другие существовавшие


во время его появления компьютеры, он бы устарел через два-три года, и мы давно бы уже о нем забыли.

Однако с компьютерами IВМ РС получилось по-другому.


Фирма IВМ не сделала свой компьютер единым неразъемным устройством и не стала защищать его конструкцию патентами. Наоборот, она собрала компьютер из независимо изготовленных частей и не стала держать спецификации этих частей и способы их соединения в секрете. Напротив, принципы конструкции IВМ РС были доступны всем желающим.
Этот подход, называемый «принципом открытой архитектуры», обеспечил потрясающий успех компьютеру IВМ РС, хотя и лишил фирму IВМ возможности единолично пользоваться плодами этого успеха. Вот как открытость архитектуры IВМ РС повлияла на развитие персональных компьютеров:

1. Перспективность и популярность IВМ РС сделала весьма привлекательным производство различных комплектующих


и дополнительных устройств для IВМ РС. Конкуренция между производителями привела к удешевлению комплектующих и устройств.

2. Очень скоро многие фирмы перестали довольствоваться ролью производителей комплектующих для IВМ РС и начали сами собирать компьютеры, совместимые с IВМ РС. Поскольку этим фирмам


не требовалось нести огромные издержки фирмы IВМ на исследования
и поддержание структуры громадной фирмы, они смогли продавать свои компьютеры значительно дешевле (иногда в 2-3 раза) аналогичных компьютеров фирмы IВМ.

3. Пользователи получили возможность самостоятельно модернизировать свои компьютеры и оснащать их дополнительными устройствами сотен различных производителей.

Итак, после начала широкого внедрения персональных компьютеров в повседневную жизнь, продолжилось быстрое развитие вычислительной техники. Вернемся к наиболее важному элементу: микропроцессор – это эффективный с технологической и экономической точки зрения инструмент для переработки возрастающих потоков информации.

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

Причина такой популярности микропроцессора состоит в том, что


с их появлением отпала необходимость в специальных схемах обработки информации, достаточно запрограммировать её функцию и ввести
в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микропроцессора.

Через короткий отрезок времени модель IBM PC была усовершенствована. Новая модификация получила название «расширенного» IВМ РС/ХТ (Рersonal Соmрuter/еХТеnded version).


В данной модификации производители отказались от использовании магнитофона в качестве накопителя информации, добавили второй дисковод гибких дисков, а также возможность использования жесткого диска емкостью 10-30 МБ. В настоящее время наличие жесткого диска
в ПК ХТ является практически обязательным. Модель базировалась
на использовании того же микропроцессора – Intel 8088.

В 1982 году фирма Intel выпустила новый микропроцессор Intel 80286, который имел 134 тыс. транзисторов и был разработан


по 1,5 микронной технологии (микрон – микрометр или мкм).
Он мог работать с 16 Мб оперативной памяти на частотах: 8, 12 и 16 МГц. Его принципиальное новшество – защищенный режим и виртуальная память размером до 1 Гб – не нашли массового применения, процессор большей частью использовался как очень быстрый 8088.

В том же году была выпущена новая модель компьютеров по названием IВМ РС/АТ (Рersonal Computerdvanced Technology – «ПК усовершенствованной технологии»). В связи с использованием нового микропроцессора с сопроцессором 80287 производительность системы возросла более чем вдвое. Она укомплектована дисководами гибких дисков нового типа (с утроенным объемом хранимой информации), жестким диском от 40 МБ и выше. Шина материнской платы ПК расширена до 16 бит.

Накал конкурентной борьбы заставил разработчиков IВМ в конечном счете отказаться от принципа "открытой архитектуры". Новое семейство моделей ПК IВМ получило название РS/2 ersonal System 2 – «персональная система/2»). Она абсолютно несовместима с первым поколением на аппаратном уровне, но сохраняет совместимость на уровне программного обеспечения. В модели РS/2 фирма IВМ заявила о своем переходе на новую шинную архитектуру – микроканальную iсrо Сhannel Аrchitecture, МСА). Это позволило отгородиться от сторонних производителей, но ограничило потребителей в выборе: все дополнительные устройства для этих ПК выпускала только сама IВМ; другие фирмы ее практически не поддерживали. Первые модели семейства РS/2 использовали микропроцессор Intel 80286 и фактически копировали ПК АТ, но на базе иной архитектуры.

В 1985 году появился Intel 80386SX и Intel 80386DX. Он открыл класс 32-разрядных процессоров. Микропроцессор Intel 80386 имел 275 тыс. транзисторов и изготавливался по технологии 1,5 мкм. Адресуемое пространство оперативной памяти увеличилось до 4 Гб вследствие увеличения разрядности процессора с 16 бит до 32 бит.


Новый микропроцессор работал на частотах: 16, 20-40 МГц.

Новая модель ПК на базе очередном поколения микропроцессоров Intel 80386 (ПК 386) была впервые разработана уже не IВМ, а фирмой Соmpaq. Этот ПК может работать в реально многозадачном


и многопользовательском режиме. С некоторым запозданием IВМ выпустила компьютер такого класса – новую модель семейства РS/2.
На деле, надежды фирмы IВМ, возлагавшиеся на концепцию новой архитектуры РS/2 – так называемую микроканальную (действительно более прогрессивную в смысле скорости обмена данными), – пока коммерчески не оправдались. Пользователи-неспециалисты оказались практичнее профессионалов и не захотели приобретать ПК, новая конструкция которых не поддержана другими производителями дополнительных устройств. Другие производители (в их числе такие гиганты, как Соmpaq, Zenith, АSТ, Арricot и др.) разработали модели ПК 386 на основе использования прежней архитектуры. С этот момента фирма IВМ, породившая ПК как идеологию, перестала быть его самым популярным производителем. Сотни фирм в десятках стран мира производят модели клона IBМ, включая модель с микропроцессором Intel 80386, причем эти модели раскупаются едва ли не охотнее, чем РS/2 фирмы IВМ. Первое место среди различных вариантов модели ПК 386 (данные 1989 года) занимает микрокомпьютер Соmраq DeskPro/386.

В 1987 г. фирма Microsoft разработала версию 3.3 (3.30) операционной системы MS DOS, которая стала фактическим стандартом


на последующие 3-4 года. Эта версия весьма компактна и обладает достаточным набором возможностей, так что на «стандартной IВМ РС АТ» ее эксплуатация вполне целесообразна.

В 1989 году Intel выпустила новый микропроцессор 80486SX/DX/DX2, имевшие 1,2 млн. транзисторов на кристалле, изготовленному по технологии 1 мкм. От 386-го существенно отличается размещением на кристалле первичного кэша и встроенного математического сопроцессора 80487. Микропроцессоры 80486


по-прежнему могли адресовать до 4 Гб оперативной памяти и работали на частотах: 25, 33, 50 и 66 МГц.

После освоения производства процессора Intel 80486 в выпуске моделей ПК 486 лидировали Арricot и Соmpaq, затем – АSТ, Zenith


и другие, а сама IВМ неохотно выпускала ПК с этими микропроцессорами.

В июне 1991 года Microsoft выпускает MS-DOS 5.0, который имеет свои особенности: обладает улучшенными интерфейсами меню оболочки, полноэкранным редактором, утилитами на диске и возможностью смены задач. Последующие версии MS-DOS 6.0, MS-DOS 6.21 и MS-DOS 6.22 кроме стандартного набора программ имеют в своем составе программы для резервного копирования, антивирусную программу и другие усовершенствования в операционной системе.

В 1992 году появляется процессор Intel 80486DX4, который работает на учетверенной частоте внешней шины, что позволило увеличить тактовую частоту процессора до 100 МГц.

Следующие основные даты развития операционных систем фирмы Microsoft шли одновременно с развитием аппаратной части персонального компьютера.

6 апреля 1992 – выход Windows 3.1. В ней исправлено множество ошибок, повышена стабильность, добавлены некоторые новые возможности, в том числе масштабируемые шрифты TrueType.
Windows 3.x становится самой популярной в США (по числу инсталляций) операционной средой для ПК и остается таковой до 1997г.

27 октября 1992 – выход Windows for Workgroups 3.1.


В ней интегрируются функции, ориентированные на обслуживание сетевых пользователей и рабочих групп, в том числе доставки электронной почты, совместного использования файлов и принтеров и календарного планирования. Версия 3.1 стала предвестником бума малых локальных сетей, но потерпела коммерческую неудачу, получив обидное прозвище «Windows for Warehouse» Windows для складов»).

24 мая 1993 – выпуск Windows NT (сокращение от New Technology – новая технология). Для функционирования первой версии 3.1, изначально ориентированной на аудиторию взыскательных пользователей и рынок серверов, требуется ПК высокого класса; кроме того, продукт не свободен от шероховатостей. Однако Windows NT была хорошо принята разработчиками благодаря ее повышенной защищенности, стабильности


и развитому API – интерфейсу Win32, упрощающему составлению мощных программ. Проект начинается как OS/2 3.0, но в итоге исходный текст продукта был полностью переработан.

8 ноября 1993 – выпуск Windows for Workgrounds 3.11.


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

В 1993 году появились первые процессоры Pentium


с частотой 60 и 66 МГц – это были 32-разрядные процессоры с 64-битной шиной данных. Pentium имел 3,1 млн. транзисторов, и был изготовлен
по технологии 0,8 мкм; питание 5В. От 486-го его принципиально отличается суперскалярной архитектурой – способностью за один такт выпускать с конвейеров до двух инструкций. Интерес к процессору
со стороны производителей и покупателей PC сдерживался его очень высокой ценой. Кроме того, возник скандал с обнаружением ошибки сопроцессора. Хотя фирма Intel математически обосновала не высокую вероятность ее проявления (раз в несколько лет), она все-таки пошла
на бесплатную замену уже проданных процессоров на исправленные.

Процессоры Pentium с частотой 75, 90 и 100 МГц, появившиеся


в 1994 году, представили уже второе поколение процессоров Pentium (семейство P6). При почти том же числе транзисторов они выполнялись
по технологии 0,6 мкм, что позволило снизить потребляемую мощность. От первого поколения они отличались внутренним умножением частоты
и имели другой тип корпуса. Была введена новая шина, которой до этого оснащались большие ЭВМ и в одном ПК могли присутствовать до 4-х процессоров Р6. Появились версии (75 МГц в миниатюрном корпусе) для мобильных применений (блокнотные ПК). Процессоры Pentium второго поколения стали весьма популярны. В 1995 году появились процессоры на 120 и 133 МГЦ, выполненные уже по технологии 0,35 мкм. 1996-й называют годом Pentium – появились процессоры на 150, 166 и 200 МГц,
и Pentium стал рядовым процессором для PC широкого применения.

24 августа 1995 года после многочисленных задержек и без беспрецедентной для программного продукта рекламной шумихи на рынке выходит Windows 95. Потеряв голову, в очередях за ней стоят даже люди, не имеющие компьютера. Windows 95 – самая дружественная пользователю версия Windows для инсталляции которой не требуется предварительно устанавливать DOS; ее появление делает ПК более доступным массовому потребителю. Благодаря значительно усовершенствованному интерфейсу наконец-то ликвидировано отставание от платформы Мас и компьютеры Мас оказываются окончательно оттесненными в узкую нишу рынка. В Windows 95 имеется встроенный набор протоколов TCP/IP, утилита Dial-Up Net-working и допускается использование длинных имен файлов.

Параллельно с Pentium развился и процессор Pentium Pro, который отличался новшествами «динамического исполнения инструкций».
Кроме того, в его корпусе разместили и вторичный кэш, для начала
объемом 256 Кб. Однако на 16-битных приложениях, а также в среде Windows 95 его применение не дало преимуществ. Процессор содержал
5,5 млн. транзисторов ядра, и 15,5 млн. транзисторов для вторичного кэша объемом 256 Кб. Первый процессор с частотой 150 МГц появился в начале 1995 года (технология 0,6 мкм), а уже в конце года появились процессоры с частотой 166, 180, 200 МГц (технология 0,35 мкм), у которых кэш достигал 512 Кб.

После долгих обещаний в начале 1997 года появились процессоры Pentium MMX. Расширение ММХ предполагает параллельную обработку группы операндов одной инструкцией. Технология ММХ призвана ускорять выполнение мультимедийных приложений, в частности операции с изображениями и обработку сигналов. Ее эффективность вызывает споры в среде разработчиков, поскольку выигрыш в самих операциях обработки компенсируется проигрышем на дополнительных операциях упаковки-распаковки. Кроме того, ограниченная разрядность ставит под сомнение применение ММХ в декодерах MPEG-2, в которых требуется


обработка 80-битных операндов. Кроме расширения ММХ эти процессоры, по сравнению с обычным Pentium, имеют удвоенный объем первичного кэша, и некоторые элементы архитектуры, позаимствованные у Pentium Pro, что повышает производительность процессора Pentium ММХ и на обычных приложениях. Процессоры Pentium ММХ имеют 4,5 млн. транзисторов и выполнены по технологии – 0,35 мкм. По состоянию на июнь 1997 года имеются процессоры с тактовыми частотами:
166, 200 и 233 МГц.

Технология ММХ была соединена с архитектурой Pentium Pro – и в мае 1997 года появился процессор Pentium II. Он представляет собой слегка урезанный вариант ядра Pentium Pro с более высокой внутренней тактовой частотой, в которое внесли поддержку ММХ. Трудности размещения вторичного кэша в одном корпусе с процессором преодолели нехитрым способом – кристалл с ядром процессора и набор кристаллов статической памяти и дополнительных схем, реализующих вторичный кэш, разместили на небольшой печатной плате-картридже. Все кристаллы закрыты общей специальной крышкой и охлаждаются специальным вентилятором. Тактовые частоты ядра – 233, 266 и 300 МГц.

Конечно же, перечисленным моделями не исчерпывается весь мировой ассортимент микропроцессоров. Это только представители семейства процессоров, имеющих обобщенное название х86. Ряд фирм (DEC, Motorola, Texas Instruments и другие) имеют разработки, существенно отличающиеся от данного семейства; есть другие классы процессоров и у Intel. Среди них есть гораздо более мощные процессоры относящиеся, к таким классам как RISC, так и CISC архитектуру.
Однако процессоры Pentium особенно с поддержкой ММХ, имеют самую сложную в мире систему команд.

Процессоры, совместимые с семейством х86, выпускаются не только фирмой Intel. Традиционный конкурент – AMD – выпускает совместимые процессоры обычного несколько позже, но заметно дешевле, иногда по ряду технических свойств они даже опережают аналогичные процессоры Intel. Фирма Cyrix славится своими быстрыми сопроцессорами.

7 июня 1998 компания Intel представила процессор Celeron
с тактовой частотой 300 МГц и снизила цену на ранее выпускавшуюся модель 266 МГц. Компания, однако, предпочитает не афишировать, что эти частоты – далеко не предел возможностей Celeron, и безо всяких переделок процессор способен на нечто большее.

Ядро Celeron изготовляется по последней 0,25 микронной технологии и имеет кодовое название Deschutes. Оно такое же, как


у процессоров Pentium II, предназначенных для работы на частотах
333, 350 и 400 МГц (в младших моделях Pentium II используется ядро Klamath с 0,35 микронной технологией).

25 июля 1998 корпорация Microsoft выпускает Windows 98 – последнюю версию Windows на базе старого ядра, функционирующего на фундаменте DOS. Система Windows 98 интегрирована с интернет-браузером Internet Explorer 4 и совместима с многочисленными – от USB до спецификаций управления энергопотреблением ACPI. Последующие версии Windows для рядового пользователя будут построены


на базе ядра NT.

6 октября 1998 года корпорация Intel анонсировала самую быстродействующую версию процессора Pentium® II Xeon с тактовой частотой 450 МГц, предназначенную для двухпроцессорных (двухканальных) серверов и рабочих станций. Новая модель на 450 МГц обеспечивает наивысший в отрасли уровень производительности благодаря увеличенной емкости и быстродействию кэш-памяти 2-го уровня (L2), возможности установки нескольких процессоров, а также наличию системной шины, работающей на частоте 100 МГц.

Сочетание высокой производительности процессора Pentium II Xeon с системной масштабируемостью выводит показатель соотношения "производительность/цена" на уровень, не имеющий аналогов на рынке двухканальных серверов и рабочих станций. Набор микросхем 440GX AGPset для серверов и рабочих станций, обеспечивающий возможность установки одного или двух процессоров, поддерживает до 2 Гб системной памяти и быструю графическую шину AGP [13,14].


    1. Память компьютера. Единицы измерения памяти.
      Виды памяти

Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементовбитов, которые организуются в более крупные образования – ячейки памяти и регистры.

Каждая ячейка памяти (регистр) имеет свой адрес, однозначно идентифицирующий ее в определенной системе координат. Минимальной адресуемой (пересылаемой между компонентами компьютера) единицей информации является байт, состоящий, как правило, из 8 битов. Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.

Байты могут объединяться в ячейки, которые также называются словами. Два байта со смежными адресами образуют слово (word) разрядностью 16 битов, два смежных слова образуют двойное слово (double word) разрядностью 32 бита, два смежных двойных слова образуют учетверенное слово (quad word) разрядностью 64 бита.

Для каждого компьютера характерна определенная длина слова – два, четыре или восемь байтов. Это не исключает использования ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово).

Как правило, в машинном слове может быть представлено либо одно целое число, либо одна команда. Однако допускаются переменные форматы представления информации.

Единицы измерения памяти совпадают с единицами измерения информации.

Разбиение памяти для четырехбайтовых компьютеров представлено в таблице 3:



Таблица 3: Разбиение памяти для четырехбайтовых компьютеров.

Байт 0

Байт 1

Байт 2

Байт 3

Байт 4

Байт 5

Байт 6

Байт 7

полуслово

полуслово

полуслово

полуслово

слово

слово

двойное слово

Широко используются и более крупные производные единицы объема памяти: килобайт, мегабайт, гигабайт:

1 Кбайт = 1024 байт = 210 байт

1 Мбайт = 1024 Кбайт = 220 байт

1 Гигабайт = 1024 Мбайт = 230 байт

1 Терабайт (1 Тбайт) = 1024 Гбайт = 240 байт

1 Петабайт (1Пбайт)= 1024 байт = 250 байт

Современные компьютеры имеют много разнообразных запоминающих устройств, которые сильно отличаются между собой по назначению, временным характеристикам, объему хранимой информации и стоимости хранения одинакового объема информации.


Различают два основных вида памяти: внутреннюю и внешнюю.


    1. Внутренняя память (ОЗУ, ПЗУ, КЭШ, СMOS RAM,
      Flash Memory). Видеопамять

Все устройства компьютера производят определенную работу


с информацией (данными и программами). А как же представляется
в компьютере сама информация? Для ответа на этот вопрос «заглянем» внутрь машинной памяти.

Структуру внутренней памяти компьютера можно условно изобразить так, как показано на рисунке 6:








Рис. 6. Структура внутренней памяти компьютера.
Наименьший элемент памяти компьютера называется битом памяти. На рисунке выше каждая клетка изображает бит.

В каждом бите памяти может храниться в данный момент одно


из двух значений: 0 или 1. Использование двух знаков
для представления информации называется двоичным кодированием.

Данные и программы в памяти компьютера хранятся в виде двоичного кода.

Один символ двухсимвольного алфавита несет 1 бит информации.

В одном бите памяти содержится один бит информации.

Битовая структура определяет первое свойство внутренней памяти компьютера – дискретность. Дискретные объекты составлены
из отдельных частиц. Например, песок дискретен, так как состоит
из песчинок. «Песчинками» компьютерной памяти являются биты.

Второе свойство внутренней памяти компьютера – адресуемость. Восемь расположенных подряд битов памяти образуют байт. Вы знаете, что слово «байт» также обозначает единицу количества информации, равную восьми битам. Следовательно, в одном байте памяти хранится один байт информации.

Во внутренней памяти компьютера все байты пронумерованы. Нумерация начинается с нуля.

Порядковый номер байта называется его адресом.



Принцип адресуемости означает, что: запись информации в память, а также чтение ее из памяти производится по адресам.

Память можно представить как многоквартирный дом, в котором каждая квартира – это байт, а номер квартиры – адрес. Для того чтобы почта дошла по назначению, необходимо указать правильный адрес. Именно так, по адресам, обращается процессор к внутренней памяти компьютера.

В состав внутренней памяти входят: оперативная память, кэш-память и специальная память.

Оперативная память (ОЗУ, англ.: RAM, Random Access Memory память с произвольным доступом) – это быстрое запоминающее устройство не очень большого объема, непосредственно связанное
с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами.

Термин «произвольный доступ» означает, что можно считать (записать) информацию в любой момент времени из любого


(в любой) элемент памяти.

Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, т.к. когда машина выключается, то всё, что находится в ОЗУ пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой – это значит, что, как уже было сказано, каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.



Кэш (англ.: cash), или сверхоперативная память – очень быстрое запоминающее устройство небольшого объема, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью.

Кэш-памятью управляет специальное устройство – контроллер, который анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и «подкачивает» их в кэш-память. При этом возможны как «попадания», так и «промахи». В случае попадания, т.е. если подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает её непосредственно из оперативной памяти.

Специальная память – к ней относятся:

1) постоянная память ПЗУ (или англ.: ROM);

2) перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory);

3) память CMOSRAM, питаемая от батарейки оперативная память, предназначенная для того, чтобы помнить настройки BIOS (дату, время и т.п.) иначе ее можно было бы назвать памятью системных установок (конфигурации);

4) видеопамять и некоторые другие виды памяти.

Заметим, что сокращение CMOS (Complement Metal Oxide Semiconductor – переводится как: комплементарные пары метал-оксид-полупроводник, отечественная аббревиатура – КМОП) – указывает


на технологию изготовления данного вида памяти, а не на ее функциональное назначение.

В специальной микросхеме CMOS, BIOS хранит конфигурацию вашего оборудования. Эта специальная микросхема, является, по сути, оперативной памятью малого размера. Но так как после отключения питания оперативная память теряет данные, то эта специальная микросхема имеет свой источник питания – маленькую батарейку, которая позволяет сохранять данные записанные на этой микросхеме.



Постоянная память (ПЗУ, англ: ROM, Read Only Memory – память только для чтения) – энергонезависимая память, которая используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом «зашивается»
в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.


Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) – энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого.

Прежде всего, в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.

Для хранения графической информации используется видеопамять. Видеопамять — это электронная память, размещенная на видеокарте (графическом адаптере). Она используется, как правило, в качестве буфера для хранения кадров динамического изображения, иначе говоря:

Видеопамять (VRAM) – разновидность оперативного запоминающего устройства, в котором хранятся закодированные изображения.
Это запоминающее устройство организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам: процессору и дисплею.
Поэтому изображение на экране меняется одновременно
с обновлением видеоданных в памяти.



    1. Понятие BIOS. Внешняя память (накопители на жестких дисках, на гибких магнитных дисках, на компакт-дисках
      CD-ROM; CD-R;СD-RW; флэш-диски). Магнитное кодирование



Понятие BIOS

Важнейшая микросхема постоянной или Flash–памяти – модуль BIOS.


BIOS (Basic Input/Output System) – базовая система ввода-вывода – совокупность программ, предназначенных для:

1) автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера;

2) загрузки операционной системы в оперативную память
(в зависимости от установок SETUP: с диска А или с диска С).


BIOS – является связующей частью между аппаратной частью вашего компьютера («железо») и программной (операционная система).

Вы наверняка заметили, что когда вы включаете компьютер, то далеко не сразу загружается операционная система. Сначала на мониторе появляются какие-то фразы, он иногда моргает, а ещё что-то пищит. Плюс ко всему, вы не задумывались, как компьютер помнит все настройки (дата, время и прочее) даже после полного отключения питания? А происходит вот что.

Сразу после включения компьютера происходит загрузка BIOS (загружаются некоторые микропрограммы), которая хранится
в микросхеме ROM - Read Only Memory (память только для чтения).
Не путать с оперативной памятью! В отличие от оперативной памяти, которая если её обесточить теряет все данные, эта хранит информацию даже при отсутствии напряжения. Сейчас вместо ROM используется Flash память (перезаписываемая), что позволяет обновлять версию BIOS.

Так вот, когда BIOS загрузилась происходит начальная проверка оборудования POST - Power-On Self Test, точнее эту проверку и проводит BIOS. Если при проверке были выявлены какие-то проблемы, то на экран будет выведено соответствующее сообщение об ошибке и будет подан соответствующий звуковой сигнал (по количеству сигналов можно определить в каком компоненте вашего ПК была обнаружена проблема). Если всё в порядке издаётся одиночный звуковой сигнал.

Далее, если POST прошёл успешно, то на носителях (жёстком диске, флеш-карте, компакт-диске) выполняется поиск MBR – загрузчика операционной системы и затем управление компьютером передаётся вашей операционной системе.

Но наиболее интересной штукой для пользователя является


BIOS Setup – одна из микропрограмм BIOS, позволяющая настроить некоторые параметры загрузки компьютера.

Поясним ещё раз: BIOS раскладывает до примитивных операций все команды, относящиеся к вводу или выводу данных из компьютера.

Например, дисковод понимает только команды вида: поместить головку дисковода на определенную дорожку, считать сектор и т.п.

Если каждая программа будет содержать в себе команды такого уровня, то она будет не эффективно работать и занимать много места.


BIOS – программа системная, далее скажем о ней, когда будем говорить
о программном обеспечении.

Роль BIOS – двоякая: с одной стороны это неотъемлемый элемент аппаратуры (Hardware), а с другой стороны – важный модуль любой операционной системы (Software).



Внешняя память

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения данных и программ, и целостность её содержимого не зависит
от того, включен или выключен компьютер.


В отличие от оперативной памяти внешняя память не имеет прямой связи с процессором. Информация от ВЗУ к процессору и наоборот циркулирует примерно по такой схеме:
ВЗУ ↔ ОЗУ ↔ Кэш ↔ Процессор

В состав внешней памяти компьютера входят:

1) накопители на жестких магнитных дисках;

2) накопители на компакт-дисках;

3) флеш-диски.


Накопители на жёстких магнитных дисках (винчестерские накопители)

Жёсткий диск – это информационный склад компьютера.



Накопитель на жёстких магнитных дисках (англ.: HDD, Hard Disk Drive) или винчестерский накопитель – это наиболее массовое запоминающее устройство большой ёмкости, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые пластины – платтеры, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Используется для постоянного хранения информации – программ
и данных.

Винчестерские накопители имеют очень большую емкость:


от 10 Гигабайт до 1 Терабайт. В процессе своей работы жёсткий диск вращается непрерывно.

Винчестерский накопитель связан с процессором через контроллер жёсткого диска.

Все современные накопители снабжаются встроенным кэшем (обычно 32 Мбайта), который существенно повышает их производительность.

Жесткие диски очень надежны для хранения большого объема информации и данных. Внутри запечатанного жесткого диска находятся один или больше несгибающихся дисков, покрытых металлическими частицами. Каждый диск имеет головку (маленький электромагнит), встроенную в шарнирный рычаг, который движется над диском при его вращении. Головка намагничивает металлические частички, заставляя их выстраиваться для представления нулей и единиц двоичных чисел. Моторы, двигающие диск и рычаг, обычно подвергаются износу.


Избежать износа удается только головке, поскольку она никогда
не соприкасается с поверхностью диска.

Еще одна функция жесткого диска – симуляция оперативной памяти. Используя секции жесткого диска в качестве виртуальной памяти, операционная система, например, Windows может запускать больше программ.



Винчестер, или жесткий диск – самая важная составляющая компьютера. На нем хранится операционная система, программы
и данные. Без операционной системы нельзя запустить компьютер, а без программ – ничего сделать, когда он уже загрузился. Без банка данных придется информацию каждый раз вводить вручную.

Жесткий диск – механическое устройство компьютера, и от него может быть больше проблем, чем от электронных устройств. На самом деле оно очень надежно. Диски собирают в чистых комнатах, в которых воздух постоянно фильтруется, и удаляются частички пыли.

Собирают винчестеры из магниточувствительного материала.
Перед тем как вынести диски из комнаты, их упаковывают
и запечатывают. Если вы откроете свой жесткий диск из любопытства,
то можете с ним попрощаться. Чтобы этого не случилось, никогда
не делайте этого – их вскрывать нельзя.

Накопители на гибких магнитных дисках

С 1970 гг. до конца 1990 -х годов были в употреблении гибкие диски, так называемые дискеты или Floppy disk.



Гибкий диск или дискета – это носитель небольшого объема информации, представляющий собой гибкий пластиковый диск
в защитной оболочке. Использовался для переноса данных с одного компьютера на другой и для распространения программного обеспечения
.

Дискета состоит из круглой полимерной подложки, покрытой


с обеих сторон магнитным окислом и помещенной в пластиковую упаковку, на внутреннюю поверхность которой нанесено очищающее покрытие. В упаковке сделаны с двух сторон радиальные прорези, через которые головки считывания/записи накопителя получают доступ к диску.

Наиболее распространены были дискеты 3,5’ (89 мм в диаметре), емкость 1,44 Мбайт, число дорожек 80, количество секторов на дорожках 18. (см. рис. 7).

Кто не знает, что такое магнитофон? На магнитофон мы привыкли записывать речь, музыку, а затем прослушивать записи. Звук записывается на дорожках магнитной ленты с помощью магнитной головки, с помощью этого же устройства магнитная запись снова превращается в звук.

Накопитель на гибких дисках действует аналогично магнитофону. На дорожки диска записывается все тот же двоичный код: намагниченный участок – единица, не намагниченный – нуль. При чтении с диска эта запись превращается в нули и единицы в битах внутренней памяти.

Дискета устанавливается в накопитель на гибких дисках (англ.: floppy disk drive), автоматически в нем фиксируется, после чего механизм накопителя раскручивается до частоты вращения 360 об./мин.


В накопителе вращается сама дискета. Магнитные головки остаются неподвижными.
Вращается дискета только при обращении к ней. Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков.

Промежуточным вариантом между ними и традиционным дискетами являются более современные Iomega Zip (см. рис. 8 и 9),


Iomega Jaz (см. рис. 10 и 11); а также магнитооптические носители (МО) LS-120 и другие (см. рис. 12 и 13), в которых комбинировался лазер (используемый для разогрева участка поверхности диска) и магнитная головка (для записи и считывания информации с поверхности диска).

Iomega Zip – семейство накопителей на гибких магнитных дисках, аналоги дискет, имеющие большую ёмкость. Изобретены компанией Iomega в конце 1994 года. Изначально имели ёмкость около 100 мегабайт, в поздних версиях она была увеличена до 250 и 750 мегабайт (см. рис. 9).

Формат стал более популярен, чем семейство super-floppy, но так и не получил такого же статуса, как обычные 3.5-дюймовые дискеты.


Он был вытеснен USB флеш дисками и перезаписываемыми компакт (CD) и DVD-дисками, и практически не используется в настоящее время.
Рис. 7. Внешний вид флоппи-дисковода (слева) и вид 3,5’ дискеты к нему (справа).

Рис. 9. Внешний вид дисководов
и соответствующих им zip-дисков



Рис. 8. Внешний вид дисковода IDE Zip-250 для zip-диска, емкостью 250 Мбайт





Каталог: upload -> 2014
2014 -> Методические указания к выполнению письменной экзаменационной работы студентов по профессиональному модулю
2014 -> Методическая разработка для тренеров-преподавателей мбоудод сдюсшор №2 «Красные Крылья», «Средства восстановления в спорте»
2014 -> Краевое государственное бюджетное
2014 -> Учебно – методический комплекс профессионального обучения (подготовки) по профессии 14700 Монтировщик шин
2014 -> Программа вступительного экзамена в магистратуру по направлению подготовки 05. 04. 06 Экология и природопользование
2014 -> Диагностика и лечение клапанных пороков сердца
2014 -> Витамины как средство восстановления и повышение работоспособности юных баскетболистов
2014 -> Сборник лекций по дисциплине «История» для специальности: 31. 02. 02 Акушерское дело


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7


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

    Главная страница