Основные блоки компьютера

Любой компьютер состоит из 4 основных частей:

· устройства ввода информации;

· устройства обработки информации;

· устройства хранения информации;

· устройства вывода информации;

Конструктивно эти части могут объединяться в одном корпусе (в компьютерах класса Notebook – записная книжка) или же каждая может состоять из нескольких достаточно громоздких устройств (в больших компьютерах, аналогично ЕС ЭВМ). С конструктивной точки зрения в компьютере можно выделить следующие основные устройства:

· системный блок;

· видеомонитор;

· клавиатура;

· принтер;

· мышь.

Для решения ряда специальных задач компьютер может быть оснащен звуковыми колонками, сканером для ввода графических изображений с помощью специальных цветных фломастеров, дигитайзеров для автоматизированного ввода в компьютер чертежей, схем, географических карт.

Для хранения больших объемов информации на специальной магнитной ленте ПК может быть укомплектован стриммером.

В современных мощных ПК в качестве устройства ввода информации используются устройства CD-ROM, считывающие ее с компакт-дисков. Такие накопители позволяют работать с большими (650 Мб) объемами информации, но не позволяют изменить ее.

Системный блок компьютера– сердце компьютера. Внутри системного блока компьютера располагаются:

· блок питания;

· большая системная (называется материнская) плата, в которую вставляются платы поменьше - контроллеры;

· жесткий диск или винчестер (hard disk);

· 1 или 2 дисковода (disk drive или floppy drive) для работы с дискетами (floppy disk);

· дисковод для компакт-дисков (CD-ROM drive);

· небольшой громкоговоритель;

· много соединительных кабелей.

Материнская платаявляется сердцем любой компьютерной системы. Чаще всего она представляет собой плоский лист фольгированного стеклотекстолита, покрытого зеленым лаком. Схему соединений платы нужной конфигурации получают травлением медной фольги. Используются двухслойные и многослойные платы. В материнскую плату вставляются платы поменьше - контроллеры. Устройства ввода-вывода (мышь, клавиатура, видеомонитор, принтер) подключаются либо непосредственно к материнской плате, либо к контроллерам.

На материнской плате имеется большая микросхема – центральный процессор, выполняющий обработку данных и управление компьютером. Важнейшим устройством также являются микросхемы оперативной памяти оперативно запоминающего устройства (ОЗУ), характеризующиеся малым временем доступа к информации.

Микропроцессор – это кусочек кремния, выращенный в стерильных условиях. Он представляет собой совокупность простых транзисторов, соединенных определенным образом на кремниевой пластине, которая называется интегральной схемой, или ИС , или чипом. Большинство микропроцессоров имеют специально встроенные области памяти, называемые регистрами, в которых они осуществляют все манипуляции и расчеты. Сигналы, перемещающиеся по микропроцессору, представляют собой серию цифровых импульсов. Их перемещение происходит практически параллельно. Каждая серия импульсов представляет собой отдельную команду микропроцессора.Каждая команда имеет идентифицирующее имя. Полный набор реализующих команд и соответствующих функций называют множеством микрокоманд процессора. Внутренняя структура кремния определяет алгоритм программы работы микропроцессора для каждого входного сигнала. Эта программа называется микрокодом микропроцессора.

Помимо выполнения внутреннего программного кода микропроцессор должен получать (входную) и выдывать (выходную) информацию. Для реализации этой связи используется так называемая микропроцессорная шина данных.

Для работы с данными внешней среды микропроцессору необходимо знать, где хранятся данные во внешней среде. Для этой цели используется еще одна шина, называемая адресной.

Микропроцессоры различаются по имеющимся в их наличии ресурсам, что влияет на скорость их работы. Они могут отличаться как числом, так и размерами самих регистров. Размеры определяются числом бит, с которыми он может работать одновременно, т.е. 16-битному микропроцессору необходим один или более регистров размерностью в 16 бит. Бит- это двоичный разряд, принимающий значение 0 или 1 и являющийся наименьшим количеством информации. Наряду с битом широко используются следующие понятия: байт, равный 8 бит; килобайт(Кб) =1024 байт, мегабайт (Мб)=1024 Кб, гигабайт (Гб)=1024 Мб.Байт информации используется для кодирования и представления в ПЭВМ одного символа (буквы, цифры, знака и т.п.)

На скорость обработки информации оказывает влияние и число бит в шине данных. Микропроцессоры с 8-,16-,32- битными шинами данных используются различными модификациями компьютеров IBM.

Число бит адресной шины влияет на объем адресной памяти, например, микропроцессор с 16-адресными линиями может работать с 65536 различными ячейками памяти (64 К).

История развития микропроцессора прошла путь от 4-битного Intel Corporation (1971 г.) микропроцессора 4004 до современных 32-битовых .В компьютерах, начиная с I 80386, началась новая эра в программировании. Была снята сегментация памяти (64к), связанная с 16 битами адресной шины. Объем адресуемой памяти вырос на 4 Гб, появилась возможность устранить ограничения, накладываемые первоначальными конструкциями микропроцессоров и соответствующими операционными системами.

Кроме того, современные микропроцессоры снабжены сверхоперативной кеш-памятью. Эта специальная встроенная память позволяет загружать в нее код нескольких следующих команд кода программного обеспечения, прежде чем в этом коде появится необходимость, что помогает микропроцессору работать без задержек, связанных с загрузкой очередной команды из оперативной памяти. На IBM совместимых компьютерах, как правило, используются микропроцессоры фирмы INTEL

I 4004 – 1971 г. – калькуляторы (4 бит)

I 8080 – 1974 г. - 8 бит

I 8086 – 1976 г. - 16 бит, с возможностью обработки 1 Мб памяти, разделенного на 16....64 Кб сегментов

I 8088 – модификация (I 8086) 16-битного упрощения 8-битной шиной данных

I 80286 – 20-битная адресная шина с частотой до 20Мгц. и возможностью работать с 1Гб памяти, 16 Мб физической и 1008 Мб виртуальной.

I 80386 – 32-битная с тактовой частотой от 16 Мгц и выше (до 32) с возможностью адресации до 42 Гб памяти.

Работа микропроцессора.Микропроцессор реагирует на каждый конкретный входной сигнал одним и тем же определенным образом. Последовательность бит, поступающая в микропроцессор приказывает ему выполнить определенную операцию. Например, сложение требует около 7 инструкций. Каждая конкретная команда говорит микропроцессору, где конкретно брать числа,что приводит к небольшим вариациям.

Числа , с которыми работает микропроцессор, должны быть размещены в одном из 3-х мест: в регистрах микропроцессора, в оперативной памяти (RAM), либо в самой микрокоманде. Числа из внешней памяти должны быть сначала считаны в ОП.

Команды микропроцессора заносят числа в его регистры, обрабатывают их, а затем записывают результат в память или во входной порт устройства.

Микропроцессоры могут выполнять только такие простые пошаговые инструкции в двоичной системе исчисления.

В процессе программирования происходит замена множества стандартных пошанговых операций одной командой.

Сопроцессор – специальная интегральная схема, которая работает совместно с главным процессором. Сопроцессор – обычный микропроцессор, не столь универсальный, как главный. Он настраивается на выполнение определенной специфической функции, например, математической операции или графического представления и выполняет ее во много раз быстрее, чем главный процессор. Его деятельность определяется главным процессором. Множества команд процессора и сопроцессора не совпадают. Программы для сопроцессора пишутся специальным образом, поэтому сам по себе сопроцессор не улучшает производительности компьютера. Если программа не использует микрокоманд сопроцессора, то скорость ее выполнения не увеличится при наличии сопроцессора.

Память компьютера

Память компьютера делится на 2 типа: основную и вспомогательную.

Основная – это память, к которой микропроцессор может непосредственно обратиться. Такую память называют оперативной (ОЗУ), потому что процессор может обратиться к ней в любой момент. Доступ к памяти получается через адресную шину, либо через порт ввода-вывода. Так как доступ реализуется к любому байту ОЗУ, то такая память называется памятью с прямым доступом – Random Access Memory (RAM). Память, требующая более значительных временных затрат, называется внешней. Она может в десятки и сотни раз превышать по объему внутреннюю память. Однако, чтобы данные из внешней памяти были обработаны микропроцессором, они должны быть занесены из внешней памяти в ОЗУ.

Хранение информации.Работа с памятью основывается на простой концепции. Память должна быть способна сохранить бит информации так,чтобы он мог быть потом извлечен оттуда. Динамическая память –устройство, базирующееся на способности сохранять электрический заряд – конденсаторы. Конденсатор способен сохранять заряд (свое состояние) несколько микросекунд -–время, за которое специальные схемы обеспечивают его подзарядку – обновление информации. Память, реализованная на таких принципах, называется динамической.

В современных компьютерах конденсаторы заменены специальными цепями проводников. Большое их количество объединяется в одном корпусе. Однако, как и в ообычных конденсаторах, информация такой микросхемы должна постоянно обновляться.

Статическая память.В отличие от динамической (удерживающей заряд) памяти статическая память позволяет потоку электронов циркулировать по цепи. Существуют только два направления движения. Это позволяет использовать данные цепи в качестве элементов памяти. Статическая память работает подобно механическому выключателю, имеющему два положения. Переключатель, управляемый электрическим током, известен как реле. Память первых компьютеров создавалась на основе электрических реле.

Транзисторы, удовлетворяющие всем требованиям переключателя, объединенные в единую цепь, исполняют роль чипов статической памяти. Статическая, как и динамическая память, нуждается в постоянном источнике питания, чтобы поддерживать ее состояние.

Постоянная память.Наиболее важная информация компьютера, как правило, не должна изменяться во времени. Для такой информации предназначена постоянная память, получившая название ROM, – память (Read Only Memory) или постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Компьютер не может изменять информацию в ПЗУ, а только читать ее. Такие микросхемы изготавливаются по специальной технологии, которая не только создает нужные цепи на керамическом кристалле, но и заносит в него нужную информацию.

Альтернативой непрограммируемых ПЗУ являются программируемые ПЗУ. Такой тип микросхемы содержит массивы элементов, программирование которых может выполняться после их изготовления специальным ПЗУ – программатором (ПЗУ – прожигается). Такой процесс называют прожиганием ПЗУ (технология взрыва элемента). Такие ПЗУ обеспечивают только одно программирование и не могут корректироваться.

Альтернативные стираемые ПЗУ (Erasable Programmable Read – Only Memory (EPROM)) позволяют стирать хранящуюся информацию и заносить в них новую при помощи ультрафиолетового луча, через специальное прозрачное окошко на корпусе.

Архитектура памяти.Память в PC имела достаточно простую структуру. Она была представлена одним блоком, в котором каждый байт был доступен по указанию его адреса. Микросхемы памяти разбивались на девять банков. Восемь микросхем выделяют по одному биту для организации каждого байта памяти, т.е. в каждом байте присутствовало по одному биту из различных микросхем с одним и тем же адресом. Девятая микросхема использовалась в качестве контрольного бита четкости. Этот бит всегда выставлялся таким образом, чтобы общее число бит в байте было нечетным.

Время обращения.Время обращения зависит не только от скорости работы микропроцессора, но и от скорости работы микросхем памяти, которые должны согласовываться. Так как обычно скорость работы микропроцессора превышает скорость работы микросхем памяти, для их согласования используют ввод необходимых, например в динамической памяти для обновления информации, циклов ожидания, а также специальные решения по архитектуре памяти и использованию более быстродействующих микросхем.

Для комплектации современных компьютеров, на примере 80386 процессора, используются микросхемы с временем доступа 120, 80 наносекунд и более скоростных. Важной характеристикой микросхемы является кроме времени доступа, время цикла, которое говорит о том, как быстро можно произвести повторное обращение. Более производительными, но и более дорогими, являются статические микросхемы, т.к. для них нет необходимости в обновлении информации.

Альтернативой является кэш – память (быстрая память), в которую заносится последующий программный код. Это помогает обойтись или уменьшить количество циклов ожидания процессора. Практически используемые объемы такой памяти 16-256Кб. Обычно работа с кэш-памятью управляется отдельным контроллером.

Разбивка оперативной памяти на страницы и замена части ее быстрыми специальными микросхемами, работа с которыми осуществляется как с кэш-памятью, также позволяет значительно уменьшить количество циклов ожидания, возникающих теперь только при переходе с одной страницы на другую. При этом существенную роль имеет размер страниц, т.к. чем больше страница, тем больше вероятность того, что следующий бит будет внутри текущей страницы (обычно размер страниц 2 или 4 Кб). Страничная организация выполняется при помощи специальных микросхем ОЗУ статического режима.

Одной из эффективных архитектур организаций памяти является и разделение памяти на два или более банков. Последовательность бит при этом хранится в разных банках при чтении информации, поэтому процессор обращается то к одному, то к другому банку. Во время обращения к одному банку, другой реализует цикл обновления информации, и поэтому микропроцессору не придется ждать.

Логическая организация памяти.При разработке РС конструкторы разделили всю память на разделы и каждый раздел предназначили для реализации специфических функций. Результирующую диаграмму называют картой памяти.

Память в пределах до 640 Кб называют базовой памятью.

В ее нижних адресах располагалась зона векторов прерываний и зона данных BIOS (0-128) и (1024-1280), зона программ DOS до 640Кб. Программы, написанные для MS DOS, могут использовать только эту память. Следующие 128 Кб были зарезервированы для буфера видеоадаптера.

Последние 256 Кб памяти использовались как адресное пространство ПЗУ, в которых мог, например, располагаться интерпретатор БЕЙСИКа либо другие программы.

Дополнительная память.Память, выходящая за пределы 1 Мбайта, обычно называют дополнительной памятью, или extended-памятью. Эта память доступна в защищенных режимах Intel 80286, I80386 процессорах. Для MS DOS, работающей в реальном режиме , такая память не доступна, но очень часто используется, например, для организации виртуального диска.

Одним из методов преодоления 640-Кб ограничения была организация расширенной Expended Memory Specification, или EMS-памяти. Работа с этой памятью основывалась на переключении при помощи специального устройства банков памяти по 16 Кбайт из дополнительной области размером 8 Мбайт в нормальное адресное пространство центрального микропроцессора. Для этого использовалась зона карты памяти в диапазоне от 784 до 960 Кбайт и специальные платы расширения с переключателями банков на них.

Дальнейшее развитие EMS стандарта дало принципиальную возможность реализовать многозадачный режим.