глава2. Технические и программные средства реализации информационных процессов Принципы функционирования пк
 Скачать 421.92 Kb.
|
|
Технические и программные средства реализации информационных процессов Принципы функционирования ПК Компьютер представляет собой систему, в которой уживаются «тело» и «душа». «Тело» компьютера – это его «железная», аппаратная часть. Аппаратные средства современных персональных компьютеров представляет собой совокупность электронных, электромеханических, электромагнитных и электронно-оптических устройств. Каждое устройство выполняет определенный набор функций, определяемых комбинацией входных управляющих электрических сигналов – команд. «Душа» – это прикладные и системные программы. Компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Вся другая информация (звуки, изображение и т. п.) для обработки на компьютере должна быть преобразована в числовую форму, т. е. оцифрована. Компьютер – это универсальная техническая система, способная четко выполнять последовательность операций определенной программы. Персональным компьютером (ПК) может пользоваться один человек без помощи обслуживающего персонала. Взаимодействие с пользователем происходит через много сред, от алфавитно-цифрового или графического диалога с помощью дисплея, клавиатуры и мышки до устройств виртуальной реальности. Конфигурацию ПК можно изменять по мере необходимости. Но существует понятие базовой конфигурации, которую можно считать типичной: системный блок; монитор; клавиатура; мышка. Компьютеры выпускаются и в портативном варианте (laptop или notebook выполнение). В этом случае системный блок, монитор и клавиатура размещены в одном корпусе: системный блок находится под клавиатурой, а монитор встроен в крышку. Системный блок – основная составляющая ПК, в середине которой находятся важнейшие компоненты. Устройства, находящиеся в середине системного блока называют внутренними, а устройства, подсоединенные извне, называют внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода и вывода информации, называются также периферийными. Компьютер пользуется знаковой системой, состоящей из двух цифр двоичной системы счисления: 1 и 0. Цифра двоичной системы называется битом. Это наименьшая единица информации. Из битов складывается все многообразие данных, которое обрабатывает компьютер. Физически это выглядит как чередование либо намагниченных и размагниченных участков жесткого диска, либо отражающих луч участков компакт-диска, либо передаваемых сигналов напряжения высокого и низкого уровня. Основное назначение компьютера – выполнять программы, представляющие собой набор команд. Команда – инструкция, предписывающая компьютеру выполнить ту или иную операцию (умножить два числа, записать данные на диск т. д.). Все команды и все данные в компьютере представлены комбинациями битов (чисел). Устройством, которое обрабатывает информацию, является процессор. Процессор – электронное устройство, поэтому различные виды информации должны обрабатываться в нем в форме последовательностей электрических импульсов. Такие последовательности можно записать в виде цепочки нулей и единиц (есть импульс – единица, нет импульса – нуль), которые называют машинным языком. Последовательность этих команд называется программой, а устройство управления «переводит» команды программы на язык команд, понятных исполнителям, и синхронизирует их работу. Основные операции (логические операции, сложение и сдвиг) выполняются в компьютерах при помощи простейших полупроводниковых элементов, из которых строятся сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), как: процессоры; СБИС памяти; схемы, управляющие обменом информацией между процессором и памятью; устройства, управляющие обменом информацией между памятью и подключаемыми к компьютеру внешними устройствами. В зависимости от назначения, управляющие схемы называют адаптерами, контроллерами или арбитрами. Все компьютеры снабжаются программным обеспечением BIOS – базовая система ввода-вывода. Аппаратная часть компьютера состоит из следующих блоков: центрального процессора, памяти, которая делится на постоянную, оперативную и внешнюю, устройств ввода-вывода, тактового генератора (таймера) и периферийного оборудования, для взаимодействия с которым применяют специальные адаптеры. Такая структура компьютера называется магистрально-модульной. Основные устройства персонального компьютера ПК типа IBMPC (International Business Machines Personal Computer), названный, по имени американской компании, впервые выпустившей такие устройства в 1981 г., стал стандартом ПК. В IBMPC была заложена возможность усовершенствования его отдельных частей и использование новых устройств. Фирма IBM не сделала компьютер единым неразъемным устройством, а обеспечила возможность его сборки из независимо изготовленных частей. Методы совместимости устройств с компьютером IBMPC не держались в секрете, а были доступны всем желающим. Этот принцип, называемый принципом открытой архитектуры, предусматривает возможность дополнения имеющихся аппаратных средств новыми устройствами без замены старых. На системной плате компьютера размещены только устройства, осуществляющие обработку информации. Устройства, управляющие всеми остальными составными частями компьютера – монитором, дисками, принтером и т. п., реализованы на отдельных платах (контроллерах), которые вставляются в специальные разъемы на системной плате, называются слотами расширения. К этим электронным устройствам подводится электропитание из единого блока питания, а для удобства и надежности все это заключается в системный блок. Структура ПЭВМ Главная особенность структуры ПЭВМ заключается в том, все устройства ПЭВМ обмениваются информацией через системную шину (см. рис.1). К системной шине подключён центральный процессор (или несколько процессоров), оперативная, постоянная и кэш-память, которые выполнены в виде микросхем. Упомянутые компоненты монтируются на материнской плате [mother board]. К материнской плате присоединяются платы (карты) внешних устройств (ВУ): видеоадаптер, звуковая плата, сетевая плата и др. В зависимости от сложности устройств, на этих платах могут располагаться другие специализированные процессоры: математический, графический и др. С помощью проводов к материнской плате подключены жёсткий диск, гибкий диск и устройство чтения оптических дисков. Рис. 1 Структурная схема ПЭВМ Все упомянутые компоненты располагаются в системном блоке. Корпус системного блока может быть выполнен в виде: desktop – настольное исполнение с горизонтальным расположением материнской платы; mini-tower – настольное исполнение с вертикальным расположением материнской платы; мышь CPU системная шина RAM оперативная память центральный процессор видео- адаптер монитор ROM постоянная память клавиатура адаптеры ВУ контроллер кеш жесткий, гибкий, оптический диски системный блок внешние устройства big tower – напольное исполнение с вертикальным расположением материнской платы. Выбор типа корпуса диктуется в основном возможностью последующего расширения комплектации ПЭВМ. Остальные компоненты, которые находятся вне системного блока, именуются внешними устройствами: монитор, клавиатура, мышь и другие манипуляторы, устройства резервного копирования и архивации, сканеры, модемы и др. Системная шина Системная шина [bus] – система объединённых проводов для передачи информации между подключёнными к ней устройствами ЭВМ. По шине передаётся информация трёх типов: данные, адреса данных, команды. Основные характеристики шины данных: тактовая частота; разрядность данных и адреса. Тактовая частота шины [bus clock, bus frequency] измеряется в МГц и определяет, сколько раз за секунду может быть передана порция данных. Размер этой порции определяется разрядностью шины, которая измеряется в битах. Произведение разрядности на частоту определяет теоретическую пропускную способность шины. Центральный процессор Центральный процессор [processor, CPU] – устройство, непосредственно осуществляющее процесс обработки данных. Основная задача процессора – это интерпретация команд и рассылка соответствующих управляющих сигналов к другим устройствам. Процессоры в ПЭВМ выполнены в виде одной микросхемы и потому называются также микропроцессорами. Основные характеристики процессора: тактовая частота; длина слова (разрядность); архитектура. Тактовая частота процессора [CPU speed (clock, frequency)] число элементарных операций - тактов, выполняемых в течение одной секунды. В современных ПЭВМ под тактовой частотой понимается внутренняя частота. Обмен данными с внешним миром осуществляется на частоте системной шины, которая всегда меньше внутренней частоты процессора. Тактовая частота грубо характеризует скорость работы процессора. Длина слова (разрядность процессора) – это максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут передаваться или обрабатываться одновременно за один такт. Все современные микропроцессоры 32 или 64 разрядные. Архитектура процессора – это очень ёмкое понятие, в составе которого можно рассматривать следующие элементы: система команд; способ организации вычислительного процесса; поддержка мультипроцессорности. Все дополнительные устройства взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных – шину. Виды слотов расширения различаются по типу шины. Данные могут передаваться между внешними устройствами и процессором, оперативной памятью и процессором, внешними устройствами и оперативной памятью или между устройствами ввода-вывода. Шина характеризуется типом, разрядностью, частотой и количеством подключаемых внешних устройств. При работе с оперативной памятью шина проводит поиск нужного участка памяти и обменивается информацией с найденным участком. Эти задачи выполняют две части системной шины: адресная шина и шина данных. Адресная шина. Данные, которые передаются по этой шине, трактуются как адреса ячеек оперативной памяти. Именно из этой шины процессор считывает адреса команд, которые необходимо выполнить, а также данные, с которыми оперируют команды. В современных процессорах адресная шина 32-разрядная, т. е. она состоит из 32 параллельных проводников. Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и наоборот. В ПК на базе процессоров Intel Pentium шина данных 64-разрядная. Это означает, что за один такт на обработку поступает сразу 8 байт данных. Аппаратно-логические устройства, отвечающие за совместное функционирование различных компонентов, называют интерфейсами. С другими устройствами, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан группами проводников, которые называются шинами. Основных шин три: шина данных, адресная шина, командная шина. Командная шина. По этой шине из оперативной памяти поступают команды, выполняемые процессором. Команды представлены в виде байтов. Простые команды вкладываются в один байт, но есть и такие команды, для которых нужно два, три и больше байта. Большинство современных процессоров имеют 32-разрядную командную шину, хотя существуют 64- разрядные процессоры с командной шиной. Шины на материнской плате используются не только для связи с процессором. Все другие внутренние устройства материнской платы, а также устройства, которые подключаются к ней, взаимодействуют между собой с помощью шин. От архитектуры этих элементов во многом зависит производительность ПК в целом. Конфигурации персональных компьютеров Полное описание набора и характеристик устройств, составляющих конкретный ПК, называется конфигурацией. С технической точки зрения ПК можно определить как единую систему, представляющую собой набор сменных компонентов – отдельных узлов, соединенных между собой стандартными интерфейсами Интерфейсом называют стандарт присоединения компонентов к системе – разъемы, наборы микросхем, генерирующих стандартные сигналы, стандартный программный код. Существует набор однотипных компонентов с разными функциональными возможностями, включаемых в систему по единому интерфейсу. На рынке ПК сложилось следующее разделение конфигураций Рабочая станция – мощный компьютер, основанный обычно на двухпроцессорной платформе, оснащенный максимальным объемом оперативной памяти. Настольный компьютер предусматривает самый обширный спектр возможных конфигураций как платформы, так и дополнительных устройств. Принято классифицировать настольные компьютеры по назначению или производительности. По назначению их подразделяют на офисные, домашние, игровые, дизайнерские. По производительности различают компьютеры начального уровня, среднего уровня, высшего уровня. Ноутбук представляет собой переносной ПК. В ноутбуках используются специальные модификации процессоров, графических чипсетов, жестких дисков с низким энергопотреблением и автоматическим регулированием производительности в зависимости от решаемой задачи. Планшетный ПК характеризуется наличием отдельного сенсорного дисплея с возможностью рукописного ввода и специального электронного пера. Карманный ПК примыкает к товарной нише ПК. Невысокая производительность, ограниченный набор программ и неудобный интерфейс пользователя сужают сферу их применения. Устройства обработки, устройства хранения Микропроцессор – программно управляемое устройство, предназначенное для обработки информации по алгоритму, задаваемому программой, находящей в данный момент в оперативной памяти. Основными характеристиками процессоров являются: быстродействие – количество операций, производимых в 1 секунду, измеряется в бит/с. тактовая частота – количество тактов, производимых процессором за 1 секунду. разрядность – количество двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. К устройствам хранения относятся: оперативная память – устройство, предназначенное для хранения обрабатываемой информации (данных) и программ, управляющих процессом обработки информации. Конструктивно оперативная память изготавливается в виде небольших печатных плат с рядами контактов, на которых размещаются интегральные схемы памяти, по быстродействию, по объему. Для того чтобы какая-либо программа начала свое выполнение, она должна быть загружена в оперативную память. Оперативная память является энергозависимой, т. е. хранит информацию, пока компьютер включен. Для ускорения доступа к оперативной памяти используется кэш – память. Это сверхбыстрая оперативная память, предназначенная для временного хранения данных и помещенная между оперативной памятью и процессором. Жесткий магнитный диск (винчестер) – постоянная память, предназначенная для долговременного хранения имеющейся в компьютере информации. Компактные твердотельные носители. К ним относятся: стример – устройство записи на магнитную ленту; гибкие диски; сd-rom; дисковод ZIP; т. д. Устройства вывода К средствам визуального отображения относятся мониторы и видеокарты. Монитор подключается к видеокарте, установленный в слот расширения системной платы в системном блоке. Монитор работает под управлением видеоадаптера, который преобразует информацию, предназначенную для вывода на экран, из внутреннего машинного представления в представление монитора. Устройства ввода Универсальным устройством ввода информации является клавиатура, с помощью которой вводятся алфавитно-цифровые данные и реализуется управление работой компьютера. Среди устройств для ввода графической информации наиболее распространены оптико-механические манипуляторы семейства «мышиных»: мышь, трекбол, тачпад. |