Учебное пособие 908

21

Магистраль

Рис. 2. Шинная архитектура ЭВМ

Описанную схему легко пополнять новыми устройствами – это свойство называется открытостью архитектуры. Для пользователя открытая архитектура означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств для своего компьютера, т.е. конфигурировать его в зависимости от круга решаемых задач.

Стремление к повышению производительности привело к появлению многопроцессорных ЭВМ, в которых несколько процессоров работают одновременно и производительность машины равна сумме производительностей процессоров (многопроцессорная архитектура). В особо мощных ЭВМ (такие машины могут, например, моделировать ядерные реакции со скоростью естественного процесса) число процессоров достигает нескольких десятков. Совершенствование архитектуры ЭВМ затронуло все виды устройств.

Вопросы для самопроверки

1.С развитием вычислительной техники в какой последовательности менялась ее элементная база?

2.По каким показателям ЭВМ относят к тому или иному поколению?

3.Что представляет собой стандарт функциональной схемы ЭВМ и кто предложил этот стандарт?

4.Перечислите устройства, входящие в структуру ЭВМ Дж. фон Неймана.

5.Какие преимущества имеет магистральная структура ЭВМ?

6.Что такое интегральная схема? большая интегральная схема?

22

7.Какие элементы составляют основу современных компьютеров?

8.Кто стоял у истоков создания фирмы Microsoft?

9.Какие категории компьютеров существуют в настоящее время?

10.Какие характеристики позволяют отнести компьютер к категории «персональный»?

11.В каких ЭВМ используется микропроцессор (МП)?

12.Что такое семейство ЭВМ?

13.Что такое счетчик команд? шина?

14.Назовите основные принципы выбора ПК.

15.В чем состоят принципы пакетной обработки, разделения времени и реального времени?

16.Что такое конвейерная обработка команд?

17.Какие бывают накопители? Какие из них являются сегодня непременными составными частями ПК?

18.В чем состоит идея параллелизма в исполнении программ и процессов? 19.В чем состоит принцип программной совместимости?

20.Что означает термин «рабочая станция»?

21.Какой шиной является USB и для чего она используется?

2.2. Состав и назначение основных элементов персонального компьютера, их характеристики

Основными устройствами ЭВМ являются процессор и оперативная или внутренняя память. Процессор состоит из двух устройств: арифметикологического устройства (АЛУ) и устройства управления (УУ). АЛУ – это электронное устройство, которое выполняет арифметические и логические операции над данными, поступающими в него. Оно представляет операционный автомат, состоящий из сумматоров, счетчиков, устройств, выполняющих логические операции. УУ – это такое электронное устройство, которое программно управляет и координирует работу всех остальных устройств ЭВМ. В состав процессора входят так называемые регистры, или процессорная память. Регистр служит для кратковременного хранения числа или команды и выполнения над числом некоторых операций.

Рассмотрим подробнее состав и назначение основных блоков персонального компьютера (ПК).

Микропроцессор (МП). Это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

В состав микропроцессора входят:

23

-устройство управления (УУ) – формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов УУ получает от генератора тактовых импульсов;

-арифметико-логическое устройство (АЛУ) – предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией. Для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор;

-микропроцессорная память (МПП) – служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины. Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОЗУ, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие);

-интерфейсная система МП – реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие устройства и схемы управления портами ввода – вывода (ПВВ) и системной шиной. Интерфейс (interface) – совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. Порт ввода – вывода (I/O – Input/Output port) – аппаратура спряжения, позволяющая подключать к микропроцессору другое устройство ПК.

Генератор тактовых импульсов. Он генерирует последовательность импульсов, частота которых определяет тактовую частоту машины. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик ПК и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

Системная шина. Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина определяет три направления передачи информации:

-между микропроцессором и основной памятью;

-между микропроцессором и портами ввода – вывода внешних устройств;

-между основной памятью и портами ввода – вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

24

Все блоки, а точнее их порты ввода – вывода, через соответствующие унифицированные разъемы подключатся к шине непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором обычно через дополнительную микросхему – контроллер шины, формирующий основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием – ASCII –кодов.

Вопросы для самопроверки

1.Что входит в состав базовой конфигурации ПЭВМ?

2.Каковы основные характеристики ЭВМ?

3.Назовите основные части персонального компьютера.

4.Какие функции выполняет в ЭВМ процессор?

5.Что является основной характеристикой процессора?

6.В состав какой части ЭВМ входит арифметико-логическое устройство?

7.Каковы структура и назначение АЛУ?

8.Что такое математический сопроцессор и каково его назначение?

9.Обработку каких видов информации выполняет процессор ЭВМ?

10.Какие устройства размещаются на материнской плате ПК?

11.Что такое микропроцессор и какие функции он выполняет?

12.Каковы структура и назначение устройства управления?

13.Укажите последовательность работы блоков ПК при выполнении программы.

14.От чего зависит производительность персонального компьютера?

15.Из чего состоит внутренняя интерфейсная шина МП?

16.Какие функции выполняет контроллер системной шины?

17.Что является основным интерфейсом ПЭВМ?

18.Что такое разрядность МП?

19.Что в ПЭВМ служит для объединения ее устройств в вычислительную систему?

20.Для чего служит системная шина в ПЭВМ и что входит в ее состав?

21.Что такое порт? Какие бывают порты?

22.Какие функции выполняют СОМ – порты в ЭВМ?

23.Чем определяются требования к размеру ОЗУ при выборе ПК?

24.Каковы назначение и основные характеристики микропроцессорной памяти?

25.Что такое платы расширения?

26.Для чего на материнской плате установлена батарейка?

25

2.3. Запоминающие устройства: классификация, принцип работы, основные характеристики

Для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины предназначена основная память (ОП). ОП содержит два запоминающих устройства: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

ПЗУ служит для хранения неизменяемой программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (ROM – Read Only Memory). Изменять информацию в ПЗУ нельзя. ПЗУ является энергонезависимым запоминающим устройством.

ОЗУ (RAM – Random Access Memory) предназначено для оперативной записи, хранения, считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в процессе, выполняемом ПК в текущий момент времени. Достоинство оперативной памяти – высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти (ЯП) непосредственно (прямой доступ). Недостаток ОЗУ – невозможность сохранения информации в нем после выключения питания машины (энергозависимость).

ОЗУ в ЭВМ имеет, как правило, ограниченный объем памяти, но существует возможность ее расширения. ОЗУ состоит из ячеек памяти, в которых хранятся машинные слова или двоичные машинные коды. Ячейка памяти представляет набор элементов памяти, в качестве которых используется электронное устройство - триггер с двумя выходами, на одном из которых есть импульс напряжения, а на другом его нет. Одно состояние описывается цифрой 1, а другое – цифрой 0. Каждый такой элемент памяти рассчитан на хранение одного бита информации. Если ЯП состоит из 8 - ми элементов, то она содержит информацию объемом 8 бит или 1 байт и ЭВМ оперирует 8-разрядными машинными словами (на каждый разряд приходится 1 бит информации). Разрядность машинного слова определяет разрядность ЭВМ. Разрядность ЭВМ пропорциональна числу 2, т.е. ЭВМ может быть 8- разрядная, 16-разрядная, 32-разрядная и т.д. ОЗУ работает медленнее, чем ПЗУ.

Скорость работы ЭВМ существенно зависит от скорости работы ОЗУ, т.е. от продолжительности обращения к ОЗУ. С повышением быстродействия растет (и очень резко) стоимость элементов памяти, так что построение ОЗУ необходимой емкости на быстрых элементах неприемлемо экономически. Эта проблема разрешена путем построения многоуровневой памяти. Основная часть большой емкости строится на относительно медленных (но зато более дешевых) элементах, а дополнительная часть (ее называют кэш – памятью – Cashe Memory) состоит из быстродействующих элементов. Те данные, к которым АЛУ обращается наиболее часто, содержатся в кэш – памяти; больший же объем оперативной информации хранится в основной памяти. Распределением информации между составными частями ОЗУ

26

управляет специальный блок центрального процессора (ЦП). Объем ОЗУ и кэш – памяти принадлежат к числу важнейших характеристик ЭВМ.

Внешняя память ЭВМ служит для длительного хранения различной информации, например, программ, текстовой, графической информации, результатов решения задач и т.д. Поскольку объем такой информации может быть большим, то и устройства внешней памяти, называемые внешними запоминающими устройствами (ВЗУ), рассчитаны на хранение неограниченного объема информации на их носителях.

ВЭВМ ранних поколений в качестве ВЗУ использовались накопители на перфокартах и перфолентах. С развитием вычислительной техники в качестве ВЗУ стали использовать устройства на магнитных носителях информации.

Принцип записи информации на магнитных носителях основан на изменении намагниченности отдельных участков магнитного слоя носителя. Запись осуществляется с помощью магнитной головки: электрические сигналы, возникающие под управлением электронного блока, возбуждают в ней магнитное поле, воздействующее на носитель и оставляющее намагниченные участки на заранее размеченных дорожках. При считывании информации эти намагниченные участки индуцируют в магнитной головке слабые токи, которые превращаются в двоичный код, соответствующий ранее записанному.

Взависимости от носителя информации различают накопители на магнитных лентах (НМЛ), накопители на гибких магнитных дисках (НГМД), накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД), накопители на жестких дисках типа винчестер (НМДВ), накопители на магнитных барабанах (НМБ). Соответственно носителями информации являются магнитная лента, гибкий диск (флоппи - диск или дискета), жесткие диски и магнитные барабаны.

НМЛ, которые называют еще стриммерами, по принципу действия похожи на бытовой магнитофон. Они позволяют записывать, например, на кассете до двух гигабайт информации. Представление о современном интеллектуальном ленточном накопителе для записи цифровой информации может дать устройство Super Digital Linear Tape (начало выпуска 2002 г.). Оно позволяет хранить 320 Гбайт данных, производя автоматическое их сжатие при записи, и передавать данные со скоростью 16 Мбайт/с.

ВНМД, НМДВ информация записывается на вращающихся жестких дисках, покрытых магнитным материалом. Информация размещается на концентрических дорожках диска. Для уменьшения времени доступа к информации поверхность диска разбивается на сектора по 512 байт, данные записываются посекторно.

Операционной системе (ОС) удобнее оперировать понятием «кластер» (cluster). Кластер представляет собой несколько секторов, расположенных последовательно, и ОС считает кластер наименьшим адресуемым фрагментом диска. В кластере на гибком диске обычно содержится один-два сектора, на жестком диске чаще всего от 8 до 64 секторов.

27

Одной из важнейших характеристик ВЗУ является время (скорость) записи информации на носитель и время (скорость) доступа к этой информации. Поскольку рассмотренные ВЗУ представляют электромеханические устройства, то скорость работы с информацией в них гораздо меньше, чем в ОЗУ, т.к. последняя является электронным устройством памяти.

Обязательным атрибутом современных ЭВМ является наличие приводов компакт-дисков CD-ROM(Compact Disk Read Only Memory).

Компакт-диск CD-ROM – это диск диаметром 120 мм и толщиной 0,5 мм с центральным отверстием размером 15 мм. Информация на нем хранится в виде чередующихся по ходу спирали ямок и ровных областей. Лазерный луч от ямок рассеивается, а от ровных областей отражается и регистрируется в виде битов информации (нулей и единиц). CD-ROM отличается возможностью записи достаточно большого объема информации и высокой износостойкостью. По долговечности хранения информация, записанная на оптическом диске, намного превосходит запись на любом магнитном носителе.

Однако, еще большую информационную емкость имеют DVD-диски (Digital Versatile Disc). Стандартного DVD-диска с емкостью 4,7 Гбайт достаточно, например, для хранения полнометражного фильма с трехканальным звуковым сопровождением, а существуют DVD-диски емкостью в несколько раз больше. Увеличение емкости достигается за счет многослойности самого диска, использования лазеров с меньшей длиной волны (что позволяет сокращать размеры элементов записи на диске), специальных программ сжатия и т.д.

Кроме указанных выше дисков применяются магнитооптические диски CD-MO, позволяющие вести многократную перезапись. В основу положен следующий физический принцип: коэффициент отражения лазерного луча от по-разному намагниченных участков диска с особым образом нанесенным магнитным покрытием различен. Таким образом, запись на CD-MO-диски выполняется лазерным лучом и магнитным полем, считывание - лазерным лучом, стирание информации – также лазерным лучом, разрушающим магнитную запись за счет нагрева соответствующего участка диска.

В настоящее время в ПК широкое распространение в качестве ВЗУ получила флэш-память (Flash), или в обиходе «флешка». Флэш-память – это энергонезависимое твердотельное полупроводниковое устройство памяти. Она не содержит подвижных устройств, а поэтому обладает большой надежностью. По своим габаритам она очень компактна, имеет низкое энергопотребление и невысокую стоимость. Выпускаемые в настоящее время флэш-накопители имеют объем памяти в несколько гигабайт. Несмотря на их достоинства, они имеют по сравнению с дисками меньшую скорость записи и доступа к информации.

29

УВВ – предназначено для ввода в ЭВМ информации, которая может быть алфавитно-цифровой, графической, звуковой и т.д. К УВВ относятся следующие устройства:

-клавиатура - электромеханическое устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК;

-графические планшеты (диджитайзеры) – для ручного ввода графической информации путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняется считывание координат с его местоположения и ввод этих координат в ПК;

-сканеры (читающие автоматы) – для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей;

-манипуляторы (координатные преобразователи) - мышь, джойстик, трекбол, световое перо – для управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК;

-сенсорные экраны – для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК.

Появившиеся в последнее время средства речевого ввода позволяют пользователю вместо клавиатуры, мыши и других устройств использовать речевые компоненты (проговаривать текст, который должен быть занесен в память в виде текстового файла). Возможности таких устройств достаточно ограничены, хотя они постоянно совершенствуются.

УВыВ – это устройства, служащие для вывода информации из ЭВМ. Самым популярным из устройств вывода информации является дисплей – устройство визуального отображения текстовой и графической информации. В ЭВМ используются, как правило, цветные видеомониторы. К основным характеристикам монитора относятся:

-размер экрана по диагонали в дюймах (от 13 до 21);

-разрешение, которое определяется количеством пикселей (точек), помещающихся по горизонтали и вертикали экрана (обычно для работы с графикой не менее 1024 * 768 пикселей);

-частота кадровой развертки – у современных качественных мониторов для большей устойчивости изображения и снижения усталости глаз поддерживается частота смены кадров на уровне 70 – 80 Гц; при этом частота строчной развертки достигает 40 – 50 к Гц.

Принтер – это алфавитно-цифровое печатающее устройство. В зависимости от способа нанесения изображения на бумагу различают матричные, струйные, лазерные и термопереносные принтеры. В матричном принтере изображение наносится набором иголок, струйном – струей краски

30

через тонкие сопла, в лазерном – за счет прилипания красящего порошка к поляризованным лазером частям печатающего барабана. При термопереносном способе печати нагревается поверхность специальной бумаги и в точках нагрева меняется цвет бумаги.

Плоттер, или графопостроитель, является устройством для вывода графической информации (чертежи, графики, рисунки и т.п.). Различают планшетные и барабанные графопостроители. Графическую информацию можно выводить и на принтер, но точность начертания при этом будет ниже, чем у графопостроителя.

Основными характеристиками принтеров и графопостроителей являются скорость вывода информации (скорость печати) и формат бумажного носителя, на котором регистрируется выводимая информация.

Важнейшая характеристика любого принтера – разрешающая способность. Ее измеряют показателем «точек на дюйм» (dpi – dots per inch). Это количество точек, которые может напечатать принтер на прямой линии длиной в 1 дюйм. Для изображения фотографического качества достаточно разрешения 1000 dpi, конечно, при использовании бумаги необходимого типа.

Принтеры стали «интеллектуальными», т.е. имеют собственное ОЗУ и электронный блок управления для того, чтобы разгрузить основное ОЗУ и не отнимать в процессе печати время у центрального процессора. Собственная память в струйных и лазерных принтерах используется для создания растрового образа страницы перед тем, как ее напечатать, для хранения специального программного обеспечения, встроенных шрифтов. Эта память у современных принтеров достаточно велика, например, может превышать 10 Мбайт.

Своеобразные устройства вывода – синтезаторы звука. Если компьютер оснащен звуковой картой, то к ней можно подключить акустическую систему, основными параметрами которой являются частотная характеристика и нелинейные искажения, а также мощность.

Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи и т.д.) и для подключения ПК к каналам связи, другим ЭВМ и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы, «стыки», мультиплексоры передачи данных, модемы). Так, сетевой адаптер является внешним интерфейсом ПК и служит для подключения его к каналу связи для обмена информацией с другими ЭВМ, для работы в составе вычислительной сети (см. раздел 3).