Лекции № 2,3 Архитектура современной вычислительной техники.

Компьютер. Понятие архитектуры. Структура компьютеров.

Опр. Компьютер— это универсальное (многофункциональное) электронное автоматическое устройство, предназначенное для на­копления, обработки и передачи информации. Основные блоки компьютера: процессор, память, периферийные устройства. Под архитектурой компьютера понимается его логическая организация, структура, ресурсы, то есть средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки дан­ных на определенный интервал времени. В основу архитектуры со­временных персональных компьютеров положен магистрально модульный принцип (рис.1).

Опр. Магистраль (системная шина) — это набор электронных ли­ний, связывающих центральный процессор, основную память и пе­риферийные устройства воедино относительно передачи данных, служебных сигналов и адресации памяти. Благодаря модульному принципу построения потребитель сам может комплектовать ком­пьютер нужной ему конфигурации и производить при необходи­мости ее модернизацию.

Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информации. Данные по шине данных могут передаваться от процессора к какому-либо устройству, или наоборот, от устройства к процессо­ру, то есть шина данных является двунаправленной. Дополнительные платы называют дочерними, а системную плату — материнской.

Функциональные устройства, выполненные на дочерних пла­тах, часто называют контроллерами или адаптерами, а сами дочерние платы — платами расширения. Таким образом, подклю­чение отдельных модулей компьютера к магистрали, находящейся непосредственно на материнской плате, на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, а на программном обеспечивается драйверами. Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответ­ствующее устройство смогло принять этот сигнал и правильно от­реагировать на него. За его выполнение процессор не отвечает, отвечает лишь соответствующий контроллер, поэтому периферий­ные устройства компьютера заменяемы и набор таких модулей произволен.

Обмен информацией между отдельными устройствами компь­ютера производится по образующим магистраль трем многораз­рядным шинам (многопроводным линиям связи), соединяющим все модули — шине данных, шине адресов, шине управления. Разрядность шины определяется количеством битов шины передачи данных:

· запись/чтение данных из оперативной памяти (оперативное запо­минающее устройство — ОЗУ);

· запись/чтение данных из внешних запоминающих устройств (ВЗУ);

· чтение данных с устройств ввода;

· пересылка данных на устройства вывода.

Выбор абонента по обмену данными производит процессор, формируя код адреса данного устройства, а для ОЗУ — код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении — от процессора к устройствам (однонаправленная шина).

По шине управления передаются сигналы, определяющие ха­рактер обмена информацией (ввод/вывод), и сигналы, синхронизи­рующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией.

Опр. Процессор компьютера. Основные характеристики (разрядность, адресное пространство и др.). Процессор — это центральное устройство компьютера. Он вы­полняет находящиеся в оперативной памяти команды программы и «общается» с внешними устройствами благодаря шинам адреса, данных и управления, выведенными на специальные контакты корпуса микросхемы. Процессор вызывает данные с диска в оперативную память, забирает их к себе, обрабатывает, а потом опять отправляет в оперативную память и сохраняет в виде файлов на жестком диске.

К обязательным компонентам процессора относятся арифме­тико-логическое (исполнительное) устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ). Выполнение процессором команды предусмат­ривает: арифметические действия, логические операции, передачу управления (условную и безусловную), перемещение данных из одного места памяти в другое и координацию взаимодействия различных устройств ЭВМ. Выделяют четыре этапа обработки команды процессором: выборка, декодирование, выполнение и за­пись результата. В ряде случаев, пока первая команда выполняет­ся, вторая может декодироваться, а третья выбираться.

У компьютеров четвертого поколения функции центрального процессора выполняет микропроцессор (МП) — сверхбольшая интегральная схема (СБИС), реализованная в едином полупровод­никовом кристалле (кремния или германия) площадью меньше 0,1 см².

Микропроцессоры различаются рядом важных характеристик:

· разрядностью;

· интерфейсом с системной шиной;

· адресным пространством (адресацией памяти).

Разрядность процессора. Это число одновременно обраба­тываемых процессором битов, то есть количество внутренних битовых (двоичных) разрядов — важнейший фактор производи­тельности МП. Процессор может быть 8-, 16-, 32- и 64-разрядным. Вместе с быстродействием разрядность характеризует объем информации, перерабатываемый процессором компьютера за еди­ницу времени.

Адресное пространство (адресация памяти). Одна из функ­ций процессора состоит в перемещении данных, в организации их обмена с внешними устройствами и оперативной памятью. При этом процессор формирует код устройства, а для ОЗУ — адрес ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине. Объем физически адресуемой микропроцессором оперативной памяти на­зывается его адресным пространством. Он определяется раз­рядностью внешней шины адреса.

Периферийные устройства. Принципы хранения информации.

Периферийные устройства.Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления периферийными устройствами.

Клавиатураслужит для ввода информации в компьютер и подачи управляющих сигналов. Она содержит стандартный набор алфавитно-цифровых клавиш и некоторые дополнительные клавиши — управляющие и функциональные, клавиши управления курсором, а также малую цифровую клавиатуру.

Курсор — светящийся символ на экране монитора, указывающий позицию, на которой будет отображаться следующий вводимый с клавиатуры знак.

Монитор— устройство визуального отображения информации (в виде текста, таблиц, рисунков, чертежей и др.).

Принтер — печатающее устройство. Осуществляет вывод из компьютера закодированной информации в виде печатных копий текста или графики.

Основных видов принтеров три: матричные, лазерные и струйные.

Порт — это разъём, через который можно соединить процессор компьютера с внешним устройством.

Плоттер (графопостроитель) — устройство, которое чертит графики, рисунки или диаграммы под управлением компьютера.

Плоттеры используются для получения сложных конструкторских чертежей, архитектурных планов, географических и метеорологических карт, деловых схем. Плоттеры рисуют изображения с помощью пера.

Сканер— устройство для ввода в компьютер графических изображений. Создает оцифрованное изображение документа и помещает его в память компьютера.

Модем— устройство для передачи компьютерных данных на большие расстояния по телефонным линиям связи. Модем обеспечивает преобразование цифровых сигналов компьютера в переменный ток частоты звукового диапазона — этот процесс называется модуляцией, а также обратное преобразование, которое называется демодуляцией.

Манипуляторы (мышь, джойстик и др.) — это специальные устройства, которые используются для управления курсором.

Мышьимеет вид небольшой коробки, полностью умещающейся на ладони. Мышь связана с компьютером кабелем через специальный блок — адаптер, и её движения преобразуются в соответствующие перемещения курсора по экрану дисплея.

Джойстик — это стержень-ручка, отклонение ее от вертикального положения приводит к передвижению курсора в соответствующем направлении по экрану монитора.

Трекбол— небольшая коробка с шариком, встроенным в верхнюю часть корпуса. В отличие от мыши, трекбол не требует свободного пространства около компьютера, его можно встроить в корпус машины.

Принципы хранения информации.

Правило: Память компьютера подразделяется на основную и внешнюю. В современных компьютерах устройства внешней памяти по­зволяют сохранять информацию после выключения компьютера, так как в них используется магнитный или оптический способ записи/чтения информации. В качестве носителей информации в этих случаях применяют магнитные и оптические диски.

Основная память,называемая иногда внутренней, располагается внутри системного блока. Она является обязательной составной частью любого компьютера, реализуется в виде электронных микросхем и в персональных компьютерах располагается на материнской плате. Основная память состоит из постоянной и оперативной памяти.

Постоянная память, или постоянное запоминающее устройст­во — ПЗУ (Read only memory - ROM), — память только для чте­ния. Она реализована, как уже говорилось, в виде электронных схем и служит для хранения программ начальной загрузки компь­ютера и тестирования его узлов.

Оперативная память, или оперативное запоминающее устрой­ство (ОЗУ), предназначена для хранения информации, изменяю­щейся в ходе выполнения процессором операций по ее обработке. Информацию в такую память можно записать для хранения, изме­нять или использовать при необходимости.

Правило: Вся информация, вво­димая в компьютер и возникающая в ходе его работы, хранится в этой памяти, но только тогда, когда компьютер включен.

Структурно оперативную память можно представить как совокупность ячеек памяти, разделенных на разряды для хра­нения в каждом из них бита информации. Следовательно, в любую ячейку памяти записывается некоторый набор нулей и единиц, или машинное слово — фиксированная, упорядоченная последователь­ность битов, рассматриваемая аппаратной частью компьютера как целое.

Объем памяти компьютера измеряют в килобайтах, мегабайтах, гигабайтах соответствии с количеством байтовых ячеек как дискретных структурных единиц памяти.

В оперативной памяти в виде последовательности машинных слов хранятся как данные, так и программы. В любой момент вре­мени доступ может осуществляться к произвольно выбранной ячейке, поэтому этот вид памяти называют также памятью с про­извольной выборкой — RAM(Random Access Memory).

Хранение информации и ее носители. Внешняя память компьютера.

Возросшие к концу XX века потоки информа­ции необходимость сохранения ее в больших объемах и появле­ние ЭВМ способствовали разработке и применению носителей информации, обеспечивающих возможность ее долговременного хранения в более компактной форме. К таким носителям при использовании современных моделей компьютеров четвертого поколения относятся гибкие и жесткие магнитные диски и так на­зываемые диски СD-RОМ, составляющие внешнюю память компь­ютера.

Устройства, которые обеспечивают запись информации на носители, а также ее поиск, считывание и воспроизведение в опе­ративную память, называют накопителями. В основу записи, хра­нения и считывания информации положены два принципа — магнитный и оптический, что обеспечивает сохранение информа­ции и после выключения компьютера.

Магнитные диски (МД) бывают гибкие и жесткие. Гибкий МД (ГМД) диаметром 5,25 дюйма (133 мм) в настоящее время может хранить до 1,2 Мбайта информации.

Для приведения его в рабочее состояние он должен быть отформатирован, т.е. должна быть создана структура диска. Для ГМД — это магнитные концентрические дорожки, разделенные на сектора, помеченные магнитными метками, а у жестких МД — еще и ци­линдры — совокупность дорожек, расположенных друг над другом всех рабочих поверхностях дисков.

CD-RОМ (Сотрасt Disc Rеаd Оп1у Метоry)обладает емкостью до 3 Гбайт, высокой надежностью хранения информации, долго­вечностью (прогнозируемый срок его службы при качественном исполнении составляет 30-50 лет). Диаметр диска может быть как 5,25, так и 3,5 дюйма. Принцип записи и считывания оптический.

Магнитооптические диски лишены этих недостатков, так как учтены достижения магнитной и оптической технологий. На магнитооптические диски можно записывать информацию и быстро считывать ее. Они сохраняют все преимущества ГМД (перено­симость, возможность отдельного хранения, увеличение памяти компьютера) при огромной информационной емкости.

Опр. Оперативная память состоит из ячеек.У каждой ячейки есть свой адрес.

Когда компьютер отправляет данные на хранение в оперативную память, он запоминает адреса, в которые эти данные помещены. Обращаясь к адресной ячейке, компьютер находит в ней байт данных.

Правило: Процессор тоже состоит из ячеек, но у них другое назначение. В ячейках процессора данные не хранятся, а обрабатываются. Ячейки процессора называют регистрами.

Существуют различные типы регистров: регистры общего назначения, адресные регистры, флаговые регистры.

Литература: 1 осн. [5-27], 2 осн. [6-120 ] , 8 доп. [10-130 ]

Контрольные вопросы:

1. Что называют архитектурой компьютера?

2. В чем смысл модульного принципа организации современной ЭВМ?

3. Что такое магистраль?

4. Какова функция процессора при работе компьютера?

5. Какие основные блоки входят в состав компьютера?

6. Какие периферийные устройства относятся к устройствам ввода и вывода?

7. Основные принципы хранения информации? Где хранятся информация?

Лекции №4,5. Программное обеспечение компьютера