Лекция. Курс лекций Лекция вычислительные машины содержание типы вычислительных устройств 1 1 Счёты
 Скачать 1.46 Mb.
|
|
). Микросхема CMOS-памяти также содержит обыкновенные электронные часы. Благодаря ним в любой момент можно узнать текущую дату и время. Чтобы при отключении питания компьютера содержимое CMOS-памяти не стиралось, и часы продолжали отсчитывать время, микросхема CMOS-памяти питается от специальной маленькой батарейки или аккумулятора, которые также находятся на системной плате. Центральный процессор (CPU - central processor unit) – центральное устройство компьютера, которое обрабатывает данные в соответствии с данной программой. Именно он распознает и выполняет команды и программы, задаваемые компьютеру, считывает и записывает информацию в память, передает команды другим частям компьютера. От того, насколько мощный процессор установлен в компьютере, во многом зависит его производительность. Производительность процессора зависит от частоты, т. е. количества базовых операций в единицу времени. На производительность процессора влияет его разрядность – длина двоичного компьютерного кода, который может обрабатывать процессор одновременно в процессе выполнения базовых операций. Чем выше частота процессора и больше его разрядность, тем больше его производительность. За последние годы тактовая частота процессора увеличилась в 760 раз, с 5 миллионов операций в секунду до 3,8 миллиарда. Разрядность процессора увеличилась в 4 раза, с 16 битов до 64 битов. Процессор выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера. Устройство управления и арифметико-логическое устройство объединены в один блок – процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств (сюда относятся выборка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение различных, в том числе и арифметических, операций, согласование работы узлов компьютера). С внешними устройствами процессор обменивается данными благодаря общей шине, в состав которой входят шины адреса, данных и управления. Разрядность шины может быть - 8, 16, 32, 64. Процессор выполняет четыре основных математических действия: сложение, вычитание, умножение и деление над двоичными числами, а, кроме того, операции компьютерной логики: сравнение, условный переход и повторение. Ключевыми подсистемами компьютера являются управляющее устройство (УУ) и арифметико- логическое устройство (АЛУ). Вместе они составляют центральный процессор (ЦП) – «командный пункт». В ЦП компьютер манипулирует данными, хранит след своих команд и управляет остальными подсистемами. Обычно микрокомпьютеров ЦП размещается на одиночном микроэлектронном чипе. У миникомпьютеров управляющее устройство зачастую находится на одном чипе, АЛУ – на другом, а команды, управляющие обоими этими устройствами, - на третьем. В больших компьютерах ЦП рассредоточен по многим чипам. Во всех случаях ЦП занимает сравнительно мало места. Центральный процессор имеет дело непосредственно с программой, хранимой в основной памяти. Программа представляет собой просто перечень инструкций, указывающих компьютеру, что делать. Большинство компьютерных программ содержит два вида информации: команды и данные. Команды интерпретируются УУ, которое управляет всем, что должно быть сделано, например сложением в АЛУ. Команды поступают в УУ в форме кода операции, называемого так потому, что он сообщает компьютеру, что делать дальше. Большая часть компьютерных задач решается путем манипуляции данными: перемещения слов из одного места памяти в другое, сложения, вычитания, сравнения и изменения слов. Обычно АЛУ выполняет следующие функции: сложение, вычитание, логические операции, сравнение и манипулирование битами. С помощью проводников АЛУ связано с рядом регистров, представляющих собой наборы схем памяти, которые действуют как временные запоминающие устройства в процессе функционирования ЦП. Обычно в компьютере имеются два набора регистров: один для использования ЦП, другой - для удержания следов команд задействованной программы. Среди регистров http://profbeckman.narod.ru/ ЦП важен сумматор, который является устройством, непосредственно обслуживающим АЛУ. Самые последние результаты операций находятся в сумматоре. Есть также счётчик команд (который хранит след адресов команд, подлежащих извлечению из памяти), указатель стека (который хранит след промежуточных результатов вычислений) и различные регистры общего назначения. УУ дешифрует команды, извлеченные из памяти, генерирует и выдаёт управляющие сигналы, необходимые для перемещения данных в компьютере, и сообщает АЛУ, что делать дальше. Процессор обрабатывает данные в двоичном компьютерном коде в форме последовательностей электрических импульсов. Однако пользователь очень плохо понимает такую информацию. Следовательно, в состав компьютера должны входить устройства ввода и вывода информации. Устройства ввода «переводят» информацию с языка человека на язык компьютера. В основу устройства компьютера положен принцип открытой архитектуры, т.е. возможность подключения к системе дополнительных независимо разработанных устройств для различных прикладных применений. Все устройства подключаются к системе и взаимодействуют друг с другом через общую шину. Внутренние коммуникации. Компьютер должен иметь центральный канал коммуникаций, соединяющий все основные подсистемы. Во многих компьютерах этот канал называется шиной. Многие мини- и микрокомпьютерные системы содержат соответствующую универсальную шину, которая может подключать к компьютеру различные специализированные функции. Компьютер с такой шиной можно модернизировать постепенно по мере увеличения требований или изменений технологии. Ввод и вывод. Цель функции ввода в компьютере - преобразование поступающей извне информации (образов, звуков, нажатий клавиш, положений указателя, напряжений термопар и т.д.) в двоичные числа. Функция вывода - обратный процесс - преобразует двоичные числа в визуальные изображения, печатные знаки, звуки, управляющие напряжения и т.п. По существу, все, что измеримо и может быть преобразовано в электрический аналог двоичных чисел, может быть использовано компьютером. Всё, что компьютер способен вычислить, может, в свою очередь, конвертироваться в форму, понимаемую человеком или другими машинами. Один из часто используемых вводов-выводов содержит два устройства: аналого- цифровой и цифро-аналоговый преобразователи. Первый превращает напряжения, такие, как в аналоговом компьютере, в двоичные числа; другой преобразует двоичные числа в напряжения. 2.2 Аппаратная часть компьютера Компьютер включает такие компоненты, как: системный блок, периферийные устройства, средства манипулирования, средства отображения. Непременными компонентами являются монитор (вместе с видеокартой монитор образует видеосистему), клавиатура, мышь. Системный блок, основная часть компьютера, где происходят все вычислительные процессы Конструктивно он может быть выполнен в горизонтальном (Desk Top) и вертикальном (Mini Tower) исполнении. В системном блоке размещаются такие модули, как материнская плата, дисковод, блок питания и др. На системной плате (motherboard - материнская плата) расположены все основные компоненты компьютера: центральный процессор, оперативная память, ПЗУ (постоянное запоминающее устройство, энергонезависимая память, контроллер клавиатуры и т.д. К материнской плате подключены все устройства системного блока. Через материнскую плату происходит общение устройств системного блока между собой, обмен информацией, питание электроэнергией. Чем быстрей шины (каналы связи устройств) материнской платы, тем быстрей происходит общение устройств между собой, тем быстрее работает компьютер. Триггеры - ключевые элементы схем памяти. Выходное напряжение триггера изменяется с первоначального значения на другое, когда поступает определенный входной сигнал, и остаётся неизменным до тех пор, пока не поступит другой сигнал, переводящий триггер в первоначальное состояние. Пример триггера - электрический выключатель света. Вентили – основные элементы логической обработки данных.Электронные цифровые компьютеры состоят из схем двух основных типов: логических вентилей и схем памяти на триггерах. Компьютер содержит и другие типы схем, например приводы, буферы и генераторы. Но вентили и триггеры выполняют ключевые логические функции компьютера. Вентиль не имеет памяти и генерирует нужный выход только при наличии соответствующих входных сигналов. Процессор – мозг системного блока, выполняет логические операции. От его скорости, частоты во многом зависит быстродействие компьютера и вся его архитектура. Центральный процессор типичного компьютера состоит из большого числа логических вентилей и триггеров. Управляющее устройство использует много http://profbeckman.narod.ru/ вентилей, чтобы выбрать способ обработки, которая должна быть выполнена в АЛУ, а также направить полученные результаты другим частям компьютера. Регистры - матрицы из триггеров. Процессор аппаратно реализуется на большой интегральной схеме (БИС), которая устанавливается в специальный разъём на системной плате. Операти́вная па́мять (также оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) – память, часть системы памяти ЭВМ, в которую процессор может обратиться за одну операцию (jump, move и т. п.). Предназначена для временного хранения данных и команд, необходимых процессору для выполнения им операций. Оперативная память передаёт процессору данные непосредственно либо через Кеш-память. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой индивидуальный адрес. ОЗУ может изготавливаться как отдельный блок или входить в конструкцию однокристальной ЭВМ или микроконтроллера. Данные и программы хранятся в оперативной памяти компьютера. ОП представляет собой последовательность пронумерованных, начиная с нуля, ячеек. В каждой ячейке ОП может храниться двоичный код. Объем ОП компьютера можно определить по формуле I оп = I яч · N где I оп – объем ОП; I яч – количество информации в каждой ячейке; N – количество ячеек ОП изготавливается в виде модулей памяти. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, ROM - Read-Only Memory) - энергонезависимая память, используется для хранения массива неизменяемых данных. Жёсткие магнитные диски представляют собой несколько тонких металлических дисков, очень быстро вращающихся на одной оси и заключенных в металлический корпус. Существует два типа оптических дисков: CD - диски, на которые может быть записано до 700 Мбайт информации; DVD - диски имеют значительно большую информационную ёмкость (4,7 Гбайт и более). Кэш или кеш (cache - прятать) - промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий копию той информации, которая хранится в памяти с менее быстрым доступом, но с наибольшей вероятностью может быть оттуда запрошена. Доступ к данным в кэше идёт быстрее, чем выборка исходных данных из медленной памяти или их перевычисление, за счёт чего уменьшается среднее время доступа. «Флешки» - энергенезависимые карты памяти и flash-диски применяются для долговременного хранения информации и не требуют подключения источника электрического напряжения. Не имеют движущихся частей, обеспечивают высокую сохранность данных. Информационная емкость может достигать 2 Гбайта и выше. Контроллер - устройство управления в электронике и вычислительной технике. Микроконтроллер (MCU) - микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы, вместо целого набора, как в случае обычных процессоров, применяемых в персональных компьютерах, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров. Видеокарта – плата внутри системного блока, предназначенная для связи системного блока и монитора, передает изображение на монитор и берет часть вычислений на себя по подготовке изображения для монитора. От видеокарты зависит качество изображения. Видеокарта имеет свою встроенную оперативную память и свой процессор по обработке изображения. Чем выше частота работы процессора видеокарты и чем больше память видеокарты, тем в более крутые (позже выпушенные) игры вы сможете играть на своём компьютере. Звуковая карта – предназначена для подготовки звуковых сигналов, воспроизводимых колонками. Звуковая карта обычно встроена в материнскую плату, но бывает и конструктивно отделена и подключена через шину. Сетевая карта – плата, устройство, устанавливается в материнскую плату или встроено в неё. Сетевая карта служит для соединения компьютера с другими компьютерами по локальной сети или для подключения к сети Интернет. CD/DVD-ROM – устройство для чтения/записи компакт-дисков, CD-дисков, DVD-дисков. Эти устройства отличаются скоростью считывания или записи информации, а также возможность чтения/записи различных носителей. CD-Rомы способны читать и записывать как CD, так и DVD различной емкости. Дисковод – устройство, предназначенное для чтения/записи информации на дискеты. В современных компьютерах устанавливается редко. В место дисководах в современных компьютерах устанавливают картридер. http://profbeckman.narod.ru/ Картридер – устройство для чтения/записи информации на карты памяти. Картридеры отличаются по скоростным характеристикам чтения/записи информации. Картридеры бывают встроенными в системный блок или конструктивно независимые, подключаемые к системному блоку через USB-порт. Порты компьютера – разъёмы на системном блоке, предназначенные для подключения периферийных устройств, устройств манипуляторов и устройств отображения. Подробно о разъемах говорить не будем, просто перечислим некоторые из них: USB, VGA, Разъем питания, COM-порт, Ethernet-порт, Стандартный разъем для вывода звука и т.д. Блок питания – блок, который питает все устройства внутри компьютера. Блоки питания отличаются по мощности. Чем мощнее блок питания, тем больше устройств вы сможете подключить в нутрии системного блока. Кулеры – вентиляторы, предназначенные для воздушного охлаждения. Обычно кулеры установлены внутри блока питания, на процессоре, на видеокарте. Дополнительный кулер может быть установлен на системном блоке, для охлаждения всего блока. Радиаторы – металлические пластины, устанавливаются для отвода тепла с процессоров в системном блоке. Обычно радиаторы охлаждаются кулерами, но не всегда. Наметился ряд тенденций в конструкции и производстве ЦП. В больших компьютерах и многих миникомпьютерах ЦП состоит из набора чипов, каждый из которых выполняет специальную функцию. В этих машинах каждый из основных блоков ЦП - АЛУ, УУ, микрокоманды для УУ - может находиться на одном или нескольких чипах. (Микрокоманды, по существу, сообщают УУ, какие проводники и вентили нужно соединить, чтобы выполнить команду.) Эти ЦП слишком сложны, чтобы их можно было уместить на одном чипе. Такой подход также позволяет вносить изменения в схему компьютера путем замены одного или двух чипов, а не всего ЦП. В некоторых компьютерах выполняемая задача разделяется между несколькими ЦП. Этот метод известен как параллельная обработка. Некоторые ЦП работают непосредственно в терминах языка программирования, а не обычной архитектуры. К внешней, или периферийной, памяти относятся магнитные ленты, магнитные диски и память на магнитных доменах. Внешняя память дешевле внутренней и большинство устройств внешней памяти может переноситься с одного компьютера на другой. Внешняя память, по объему, как правило, гораздо больше оперативной памяти компьютера, однако скорость взаимодействия процессора с оперативной памятью выше, чем с любыми внешними накопителями. Разновидности магнитных дисков: жесткие, или фиксированные, встроенные в системный блок компьютера и обычно называемые ВИНЧЕСТЕР, однако в последнее время начали продаваться внешние накопители на жестких магнитных дисках - внешние винчестеры; гибкие, вставляемые в отверстия дисководов компьютера и называемые ДИСКЕТАМИ или флоппи-дисками, дисководы размещаются в системном блоке компьютера; оптические диски (CD-ROM), которые читаются специальными устройствами тоже встроенным в системный блок; DVD диски - расшифровывается аббревиатура DVD как digital versatile disc, т.е. универсальный цифровой диск. Внешне DVD-диски похожи на CD и в них используется тот же принцип записи информации, но благодаря усовершенствованию технологии, ёмкость таких дисков во много раз больше, чем ёмкость CD-диска. Жёсткий диск сделан из прочных материалов. Ёмкость жёсткого диска достигает 25-50 Гб. Жёсткий диск компьютеров служит внешним устройством хранения текущих записей и прикладного программного обеспечения. Оптический диск хранит информацию на спиральной дорожке. Считывающая головка оптического плейера перемещается вдоль фиксированной направляющей радиально вперед-назад, а не на рычаге, вращающемся около некоторого центра, как вслучае грампластинки. Для записи и чтения информации используется лазерный луч. Оптический компакт-диск хранит информацию в форме маленьких поверхностных углублений, соответствующих двоичным числам. Вариации интенсивности лазерного луча, отраженного от этих углублений, распознаются фотоэлементом, который превращает их в электрические сигналы. Стираемые оптические диски имеют покрытие, которое реагирует на магнитное поле от записывающей головки дисковода изменением оптической поляризации. Затем эти изменения могут быть превращены считывающей головкой в электрические сигналы. Информация, записанная на магнитооптическом диске, стирается путем комбинированного действия магнитного поля и лазерного луча. На диске CD-ROM диаметром 120 мм может храниться свыше 300000 страниц печатного текста, или 650 Мб информации. Коммерческие CD-ROM используются для размещения многочисленных и разнообразных справочных материалов, клипов для компьютерной графики, анимации и комбинаций текста, звука и изображений. Они становятся незаменимыми в мультимедийных системах. Магнитооптические диски имеют такие же размеры, как и распространенные дискеты (89×133 мм). http://profbeckman.narod.ru/ |