Принципы работы компьютера

Компьютер представляет собой устройство, способное испол­нять четко определенную последовательность операций, предпи­санную программой.

Понятие «компьютер» является более широ­ким, чем понятие «электронно-вычислительная машина» (ЭВМ), поскольку в последнем акцент делается на вычисления. Персо­нальный компьютер (ПК) отличается тем, что им может пользоваться один человек, не прибегая к помощи бригады обслуживающегр персонала и не отводя под него специального зала с устройства для поддержания климата, мощной системой элек-тропитанйя и прочими атрибутами больших вычислительных ма­шин. Этот компьютер обычно ориентирован на интерактивное взаимодействие с одним пользователем (в играх иногда и с дву­мя), причем взаимодействие происходит через множество сред общения, от алфавитно-цифрового и графического диалога с помощью дисплея, клавиатуры и мыши до устройств виртуальной реальности, в которой пока не задействованы, наверное, только запахи.

Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 г. английским исследователем Моррисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них построено в со­ответствии с теми принципами, которые изложил в своем докла­де в 1945 Г.Джон фон Нейман:

Прежде всего компьютер должен иметь следующие устройства:

- арифметико-логическое устройство, выполняющее ариф­метические и логические операции;

- устройство управления, которое организует процесс вы­полнения программ;

- запоминающее устройство, или память для хранения про­грамм и данных;

- внешние устройства для ввода/вывода информации.

Память компьютера должна состоять из некоторого количест­ва пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находить­ся или обрабатываться данные либо инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть легко доступны для других уст­ройств компьютера.

Связи между устройствами компьютера представлены на рис. 1.1 (одинарные линии показывают управляющие связи, двойные — информационные).

Рис. 2.1. Схема компьютера по Нейману

В общих чертах работу компьютера можно описать так. Внача­ле с помощью какого-либо внешнего устройства в память ком­пьютера вводится программа. Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических или логарифмичес­ких операций, чтение из памяти данных для выполнения арифме­тических или логических операций или запись их результатов в память, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство.

Как правило, после выполнения одной команды устройство уп­равления начинает выполнять команду из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему следует продолжить выполнение программы начи­ная с команды, содержащейся в некоторой другой ячейке памяти. Такой «скачок», или переход, в программе может выполняться не всегда, а только при выполнении некоторых условий, например, ес­ли некоторые числа равны, если в результате предыдущей арифме­тической операции получился нуль и та Это позволяет использо­вать одни и те же последовательности команд в программе много раз (т.е. организовывать цикл), выполнять различные последова­тельности команд в зависимости от выполнения определенных ус­ловий и т.д., т.е. создавать сложные программы.

Таким образом, управляющее устройство выполняет инструк­ции программы автоматически, без вмешательства человека. Оно может обмениваться информацией с оперативной памятью и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние уст­ройства как правило, работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, управляющее устройство может при­останавливать выполнение программы до завершения операции ввода/вывода с внешним устройством. Все результаты выполнен­ной программы должны быть ею выведены на внешнее устройст­во компьютера, после чего компьютер переходит к ожиданию каких-либо сигналов внешних устройств.

Следует заметить, что схема устройства современных компью­теров несколько отличается от приведенной выше. В частности, арифметико-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в одно устройство — центральный про­цессор. Кроме того, процесс выполнения программ может преры­ваться для неотложных действий, связанных с поступившими сигналами от внешних устройств компьютера. Многие быстро­действующие компьютеры осуществляют параллельную обработ­ку данных на нескольких процессорах. Тем не менее большинст­во современных компьютеров в основных чертах соответствуют принципам, изложенным фон Нейманом.

Персональные компьютеры, совместимые с IBM PC, де­лятся на несколько поколений (или классов) со следующими ха­рактерными особенностями:

- IBM PC первой модели имел процессор Intel-8088, адресу­емую память 1 Мбайт, шину расширения ISA (8 бит), накопители на гибких дисках (НГМД) до 360 Кбайт.

- IBM PC/XT (Extended Technology — расширенная техно­логия) — появились винчестеры — накопители на жестких дис­ках (НЖМД) и возможность установки математического сопро­цессора Intel-8087.

- IBM PC/AT (Advanced Technology — прогрессивная или «продвинутая» технология): процессор Intel-80286/80287, адресуемая память 16 Мбайт, шина ISA 16 бит, НГМД 1,2 и 1,44 Мбайт, НЖМД.

B настрящее время класс машин AT развивается в нескольких направлениях: 16-разрядный процессор заменен на 32-разрядный (386 и старше), память адресуется в пространстве нескольких десятков Гбайт, применяются более эффективные шины расширения (EISА, VLB, PCI) с сохранением ISA 16 бит как дешевой щины для обеспечения совместимости со старыми адаптерами, расширяется состав устройств, имеющих системную поддержку на уровне BIOS.

Компьютеры IBM имеют открытую архитектуру и собираются из набора устройств, позволяющих комбинировать множество вариантов. В отличие от них компьютеры Macintosh фирмы Apple поставляются в хорошо закрытом корпусе и практически нет воз­можности что либо изменить в них.

Обычно персональные компьютеры IBM PC состоят из трех частей (блоков):

- системного блока;

- клавиатуры, позволяющей вводить символы в компьютер;

- монитора (или дисплея) — для отображения текстовой иди графической информации.

Компьютеры выпускаются и в портативном варианте — в «на­коленном » (лэптор), или «блокнотном» (ноутбук) исполнении. Здесь системный блок, монитор и клавиатура заключены в один корпус.

Системный блок является в компьютере «главным». В нем распрлагаются все основные узлы компьютера:

- электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессор, оперативная память, контроллеры устройств и т.д.

- блок питания, преобразующий электропитание сети в по­стоянный _;ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;

^- накопители (или дисководы), используемые для чтения и записи на гибкие магнитные диски (дискеты), CD, DVD;

- накопитель нз жестком магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на несъемный жесткий магнитный диск (винчестер).

Дополнительные устройства: к системному блоку компьюте­ра IBM PC можно подключить различные устройства ввода/выво­да информации, расширяя тем самым его функциональные воз­можности. Многие устройства подсоединяются через специальные гнезда (разъемы).

Кроме монитора и клавиа­туры, такими устройствами являются:

- принтер — для вывода на печать текстовой и графической информации;

- мышь — устройство, облегчающее ввод информации в ком­пьютер;

- джойстик —(для компьютерных игр).

Подключение этих устройств выполняется с помощью специаль­ных проводов (кабелей). Для защиты от ошибок разъемы для кабе­лей сделаны разными. Некоторые кабели (например, для соедине­ния монитора или принтера) закрепляются с помощью винтов.

Устройства могут вставляться внутрь системного блока ком­пьютера, например:

- модем — для обмена информацией с другими компьюте­рами через телефонную сеть;

- факс-модем — сочетает возможности модема и телефакса.

Некоторые устройства, например многие разновидности ска­неров, используют смешанный способ подключения: в систем­ный блок компьютера вставляется только электронная плата (контроллер), управляющая работой устройства, а само устройст­во подсоединяется к этой плате кабелем.

Логическое устройство компьютера – процессор, выполняющий все вычисления и обра­ботку информации. В компьютерах типа IBM PC используются процессоры фирмы Intel, а также совмести­мые с ними процессоры других фирм (AMD, Cyrix, IBM и др.).

В тех случаях, когда на компьютере приходится выполнять много математических вычислений к основному процессору добавляют математический сопроцессор. Он помогает основному процессору производить математические операции над вещественными числами. Сейчас микропроцессоры фирмы Intel сами выполняют эти операции, так что для них сопроцессор не требуется.

Следующим очень важным элементом компьютера является оперативная память. Именно из нее про цессор и сопроцессор берут программы и исходные данные для обработки; в нее они записывают полученные результаты. Назва ние «оперативная» эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память. Однако содержащиесяв ней данные сохраняются, только пока компьютер включен.

Для работы компьютера необходим обмен ин­формацией между оперативной памятью и внешними устройствами. Такой обмен называется вводом/выводом. Но этот обмен не происходит непосредственно: между любым внешним устройством и оперативной памятью в компьютере имеются два промежуточных звена:

1. Для каждого внешнего устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером, или адаптером. Некоторые контроллеры (например, контроллеры дисков) могут управлять сразу несколькими устройствами.

2. Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с процессо­ром и оперативной памятью через системную магистраль переда­чи данных, которую обычно называют шиной.

Для упрощения подключения устройств электронные схемы IBM PC состоят из нескольких модулей — эле­ктронных плат. На основной плате компьютера — системной (ма­теринской) обычно располагаются основной процессор, сопроцес­сор, оперативная память, шины. Схемы, управляющие некоторыми внешними и дополнительными устройствами компьютера (кон­троллеры или адаптеры), находятся на отдельных платах, вставля­ющихся в унифицированные разъемы (слоты) на материнской пла­те. Через эти разъемы контроллеры устройств подключаются непосредственно к системной магистрали передачи данных в ком­пьютере — шине. Таким образом, наличие свободных разъемов шины обеспечивает возможность добавления к компьютеру новых устройств. Чтобы заменить одно устройство другим, надо вынуть соответствую­щую плату из разъема и вставить вместо нее другую.

Одним из контроллеров, которые присутствуют почти в каждом компьютере, является контроллер портов ввода/вывода. Эти порты бывают следующих типов:

- параллельные (обозначаемые LPT1 - LPT4), к ним обыкно­венно подключаются принтеры;

- асинхронные последовательные (обозначаемые СОМ1 — COM3). Через них обычно подсоединяются мышь, модем и т.д.;

- игровой порт — для подключения джойстика. Некоторые устройства могут подключаться и к параллельным, и к последовательным портам. Параллельные порты выполняют ввод и вывод с большей скоростью, чем последовательные (за счет использования большого числа проводов в кабеле).

Комплектующие элементы IBM продаются в виде отдельных ус­тройств. Преимущество такой поставки заключается в возможнос­ти создавать конфигурацию системы в соответствии со своими по­требностями. Обычно предпочтительными оказываются варианты конфигурации, обеспечивающие большую гибкость системы.

Наиболее важные компоненты и параметры, определяющие до­стоинства системы IBM.К ним относятся следующие компоненты:

- микропроцессор (процессор);

- тактовая частота;

- объем памяти и скорость обращения к ней;

- объем памяти жесткого диска и скорость записи/счи­тывания

Быстродействие является самым существенным параметром при использовании компьютера в «медленных» процессах, к которым относится издательская обработка текста. Такие операции, как «выключка» строк, размещение текста на странице, осуществ­ление режима для совместного представления текста и графиче­ских изображений, требуют значительных затрат времени даже в лучших современных машинах.

Соответствующая организация управления работой процессора позволяет решать сразу несколько задач или обслуживать несколь­ко пользователей. Распределение времени и ресурсов процессора между пользователями осуществляет операционная система.