ЛЕКЦИЯ 2. Аппаратное обеспечение реализации информационных
процессов.
План.
Принцип устройства компьютера.
Основные блоки и качественные характеристики ПК.
Периферийные устройства.
Микропроцессор.
Оперативная память, кэш-память.
Мониторы.
1. Принцип устройства компьютера.
Как бы ни выглядел компьютер, каких бы ни был размеров, для чего бы его не использовали – для игр, создания документов или управления космическими полетами, главными его свойствами были, есть и будут ввод, обработка, хранение и вывод информации. Компьютер принимает данные, перерабатывает их, хранит результат и выдает его, следуя командам, поступающим от человека.
В Ы В О Д
В
В
О
Д
В системе, способной выполнять описанные функции, должно быть предусмотрено минимум два устройства: запоминающее – для хранения данных и преобразующее – то, что производит все вычисления, которое назовем центральным процессором. Кроме того, для ввода данных в компьютер и вывода результатов работы нужны специальные устройства ввода и вывода.
Согласно принципам, сформулированным в 1949 году американским математиком Джоном фон Нейманом, центральный процессор выполняет хранящиеся в памяти программы, оперирует данными, управляет всеми компонентами компьютера и состоит из устройства управления, воспринимающего команды программ и организующего их выполнение, и арифметико-логического устройства, предназначенного только для вычислений. Процессор должен быть напрямую связан с блоком памяти, где должны находиться команды или данные, готовые для обработки, т.е. промежуточные данные, находящиеся на пути от постоянного носителя к центральному процессору и обратно. Этот «буфер», хранящий оперативную информацию, называется оперативной памятью.
Однако объемов оперативной памяти зачастую оказывается недостаточно, поэтому для долговременного хранения данных понадобятся специальные носители, с которых процессор сможет считывать программы и данные и на которые будет записывать результаты по мере наполнения запоминающего устройства. Это значит, что носители данных тоже будут устройствами ввода-вывода: мы можем ввести текст с клавиатуры, затем сохранить его на носителе, а потом взять готовый текст с носителя.
Общая схема описанного устройства такова:
Устройства ввода и вывода
Память
Центральный процессор
Основные блоки и качественные характеристики ПК.
Компьютеры – это универсальные электронные вычислительные машины (ЭВМ), используемые для накопления, обработки и передачи информации. Самое широкое распространение получили персональные компьютеры, предназначенные для индивидуальной работы.
Персональные компьютеры – это малогабаритные вычислительные машины, которые могут быть установлены на любом рабочем месте.
Структурная схема ПК.
Математический
сопроцессор
Т
А
Й
М
Е
Р
Микропроцессор
И
Н
Т
Е
Р
Ф
Е
Й
С
Н
А
Я
С
И
С
Т
Е
М
А
Основная память
Внешняя память
Арифметико-логическое устройство (АЛУ)
ПЗУ
ОЗУ
НЖМД
НГМД
Адаптер НЖМД
Адаптер НГМД
Микропроцессорная память (МПП)
Устройство управления (УУ)
видеоадаптер
Адаптер принтера
Источник питания
Сетевой адаптер
Видеомонитор (дисплей)
Печатающее устройство
Канал
связи
Генератор тактовых импульсов
Интерфейс клавиатуры
Клавиатура
Минимальный состав персональных компьютеров:
системный блок
монитор (дисплей)
клавиатура
Системный блок является в компьютере главной составной частью. В нем располагаются все основные узлы компьютера:
электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессор, оперативная память, контроллеры устройств и т.д.);
блок питания, который преобразует электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;
накопители (или дисководы) для гибких магнитных дисков, используемые для чтения и записи на гибкие магнитные диски (дискеты);
накопитель на жестком магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на несъемный жесткий магнитный диск (винчестер);
другие устройства.
Возможности компьютеров зависят от типа и быстродействия процессора, а также от объемов оперативной и долговременной памяти.
Микропроцессор – это устройство управления компьютером. Быстродействие компьютеров определяется числом операций, выполняемых процессором за одну секунду. Основной функцией процессоров является автоматическое управление работой ЭВМ с помощью программ, размещаемых в оперативной памяти.
В компьютерах первого поколения быстродействие процессоров составляло несколько тысяч операций в секунду; второго поколения – несколько десятков тысяч, а в машинах третьего поколения – несколько сотен тысяч операций в секунду.
Быстродействие персональных компьютеров четвертого поколения – несколько миллионов операций в секунду. В компьютерах следующих поколений быстродействие будет составлять десятки и даже сотни миллионов операций в секунду.
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 устройство управления получает от генератора тактовых импульсов.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.
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.
Интерфейсная система микропроцессора – реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК.
Интерфейс – это совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие.
Генератор тактовых импульсов – генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины.
Системная шина – это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Обеспечивает 3 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).
Таймер – внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени. Таймер подключается к автономному источнику питания – аккумулятору и при отключении машины от сети продолжает работать.
Монитор (дисплей) – это устройство отображения информации на электронном экране. Дисплеи в персональных компьютерах могут быть цветными и черно-белыми. Информация на мониторах обычно отображается как в телевизоре – на экране электронно-лучевой трубки.
Клавиатура содержит клавиши, как правило, латинского и русского алфавитов. Кроме того, на клавиатуре имеются цифры и другие специальные знаки. Нажимая на эти клавиши, можно вводить в компьютер самую разную информацию – числа, слова, фразы, а также команды управления компьютером.
Мышь – устройство, которое подсоединяется к персональному компьютеру электрическим шнуром и которое можно перемещать по столу.
Минимальной единицей информации считается бит. Бит – это величина, принимающая значение 0 или 1. Любая другая информация может быть закодирована последовательностью из нулей и единиц. Именно в таком виде вся информация представляется в памяти ЭВМ.
Единицей памяти в современных ЭВМ считается байт. Байты – это 8-разрядные двоичные числа вида – 00000000, 00000001, …, 11111111. Один байт записывается в виде 8 двоичных знаков информации – нулей и единиц: 1 байт = 8 бит.
Для измерения памяти большого объема используются следующие единицы:
1 Кбайт = 1024 байт (1 килобайт);
1 Мбайт = 1024 Кбайт (1 мегабайт);
1 Гбайт = 1024 Мбайт (1 гигабайт).
Машины первого поколения имели оперативную память порядка нескольких килобайт, компьютеры второго поколения – десятки килобайт, а машины третьего поколения – сотни килобайт.
Скорость передачи информации по линиям связи оценивается в бодах и килободах. Скорость в один бод – это передача одного бита в секунду:
1 бод = 1бит/секунда
1Кбод = 1024 бод.
Периферийные устройства ПК.
К периферийным устройствам ПК относятся:
магнитные накопители;
принтер;
сканер;
модем.
Магнитные накопители – дисководы - наиболее широко распространенные устройства ввода-вывода. В настольных моделях ПК они монтируются в системный блок, а в переносных компьютерах – часто подключаются как внешние устройства. Они применяются для работы с магнитными носителями. Основной носитель информации – магнитный диск, который используется для долговременного хранения информации и программ в персональном компьютере.
Магнитные диски бывают – гибкие и жесткие.
Жесткие диски – это устройства хранения информации, программ и данных в ЭВМ. В персональных компьютерах жесткие диски обычно несъемные, т.е. находятся внутри системного блока и служат для постоянного хранения программ, данных, архивов и т.п. Объем памяти на жестких дисках в современных компьютерах имеет диапазон от нескольких мегабайт до нескольких гигабайт. В компьютерах новых поколений объем памяти на жестких магнитных дисках будет составлять десятки и сотни гигабайт.
Магнитные носители винчестеров изготовлены на твердой основе и вместе с головками чтения-записи вмонтированы прямо в дисковод и изолированы от внешней среды (поэтому жесткие диски ещё называют несъемными).Гибкие диски (дискеты) – это сменные носители информации, на которых программы и данные можно хранить отдельно от ЭВМ. Гибкие диски используют для личного хранения и переноса программ и данных от одного компьютера к другому. Объем памяти на наиболее распространенных гибких магнитных дисках составляет от 360 Кбайт до 1,68 Мбайт. Пользуясь дисководом, мы видим только прорезь для вставки дискет, внутри же н6аходятся головки чтения-записи, подобные звукоснимателю проигрывателя. Диск вращается, головка может двигаться по концентрическим линиям, записывая или считывая информацию.
Принтер – это печатающее устройство, подсоединяемое к компьютерам. Наибольшее распространение получили три типа принтеров, различающихся скоростью и качеством печати: матричные, струйные и лазерные.
Самые простые и дешевые среди них – матричные. Это устройства ударного действия с красящей лентой, печатающая головка которых снабжена вертикальным рядом игл, создающих изображение путем многократных последовательных проходов поперек листа бумаги.
Самые быстрые и качественные – лазерные, работающие по принципу электризации печатающего барабана лазерным лучом – участки с измененной полярностью притягивают порошкообразный тонер и затем наносят его на бумагу. Лазерные принтеры снабжаются большим объемом собственной оперативной памяти – 4 Мбайт и выше.
Струйные – самые качественные среди дешевых принтеров. Они создают изображение путем нанесения на бумагу жидкого тонера.
Сканер – устройство, позволяющее вводить в компьютер образы изображений, представленных в виде текста, рисунков, слайдов, фотографий и другой графической информации. Сканер создает в компьютере электронную копию изображения, считываемого с бумаги многоэлементными фотоприемными линейками с применением протяженного осветителя и объектива.
Модем – это устройство передачи информации по линиям телефонной связи. С помощью модемов персональные компьютеры могут подключаться через телефонную сеть к другим компьютерам, а также входить в различные телекоммуникационные компьютерные сети.
4. Микропроцессор.
Самым главным элементом в компьютере является – микропроцессор - небольшая (в несколько сантиметров) электронная схема, выполняющая все вычисления и обработку информации. Это универсальное логическое устройство, которое оперирует с двоичными числами, осуществляя простейшие логические и математические операции в соответствии с программой, т.е. в заданной последовательности. Для хранения этой заданной последовательности служат запоминающие устройства:
постоянные – ПЗУ – в которых информация хранится, не изменяясь сколь угодно долго;
оперативные – ОЗУ – информация в которых может быть изменена в любой момент в соответствии с результатами её обработки.
Микропроцессор состоит из набора регистров памяти различного назначения, которые определенным образом связаны между собой и обрабатываются в соответствии с некоторой системой правил.
Микропроцессор осуществляет выполнение программ, работающих на компьютере и управляет работой остальных устройств компьютера. Скорость его работы во многом определяет быстродействие компьютера.
Микропроцессор умеет выполнять сотни различных операций и делает это со скоростью в несколько десятков и даже сотен миллионов операций в секунду.
Микропроцессоры отличаются друг от друга 2 характеристиками типом (моделью)и тактовой частотой.
Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую частоту. Чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена микропроцессора.
Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет в 1 секунду. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц). Микропроцессоры могут иметь тактовую частоту от 20МГц (386SL) до 1000 МГц (Pentium III), 1400 и выше МГц (Pentium IV и т.д.).
Быстродействие микропроцессора во многом определяет скорость работы самого компьютера и диапазон его применения (бухгалтерия, инженерия, компьютерные игры и др.)
Оперативная память, кэш-память.
Память - обязательный элемент конструкции компьютера. Память компьютера состоит из оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), или памяти произвольного доступа (Random Access Memory, RAM), и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ – Read-Only Memory, ROM).
Именно RAM – оперативная память – является очень важным элементом компьютера. Именно из неё процессор берет программы и исходные данные для обработки, в неё он записывает полученные результаты. Название «ОПЕРАТИВНАЯ» эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору практически не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память. Однако содержащиеся в ней данные сохраняются только пока компьютер включен. При выключения компьютера содержимое оперативной памяти стирается. От количества установленной в компьютере оперативной памяти напрямую зависит, с какими программами мы можем на нем работать. При недостаточном количестве оперативной памяти многие программы либо вовсе не будут работать, либо станут работать крайне медленно. Так Pentium II Xeon имеет 1-2 Мбайта быстрой кэш-памяти; один из мощнейших процессоров Intel – Pentium III – 512 Кбайт кэш-памяти; наиболее мощный микропроцессор Pentium III Xeon – 1-2 Мбайт.
Для ускорения доступа к оперативной памяти на быстродействующих компьютерах используется специальная сверхбыстродействующая Кэш-память, которая располагается как бы «между» микропроцессором и оперативной памятью и хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. При обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные уже содержатся в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается. Обычно Pentium оснащаются кэш-памятью емкостью 256 Кбайт. Для систем на базе Pentium, использующих многозадачные операционные системы, может быть целесообразна кэш-память в 512 Кбайт.Мониторы.
Монитор (дисплей) предназначен для вывода на экран текстовой и графической информации. Главным элементом любого монитора является его электронно-лучевая трубка, или кинескоп. Параметры электронно-лучевой трубки потенциально определяют качество получаемого изображения.
Главным параметром монитора является размер его экрана по диагонали (именно этот параметр в основном влияет на цену прибора). На сегодняшний день на российском рынке наиболее популярны мониторы с размером 14 и 15 дюймов. Реже приобретаются дисплеи с 17-дюймовым кинескопом, ещё реже – 20- и 21-дюймовые мониторы (которые в основном используются для профессиональной работы в серьезных учреждениях). Существуют совсем экзотические мониторы с размером 28 и до 37 дюймов, предназначенные для демонстрационных целей.
Под термином «размер» обычно понимается внешний диагональный размер кинескопа. Именно этот размер и указывается, когда говорят о 14-,15-, 17-, 20- и 21-дюймовых мониторах. Мониторы могут быть цветные и монохромные. В зависимости от назначения мониторы оснащаются разными средствами регулировки, цветокорректировки и т.д. Различные мониторы могут поддерживать разные разрешения, т.е. количества точек в выводимом изображении по горизонтали и вертикали – от 640 х 480 точек до 1600 х 1280 точек на самых больших профессиональных мониторах. Чем выше разрешение, тем более детальным может быть изображение на экране.