12) Архитектура персонального компьютера.

 

Основная компоновка частей компьютера и связь между ними называется архитектурой. При описании архитектуры компьютера определяется состав входящих в него компонент, принципы их взаимодействия, а также их функции и характеристики.


Практически все универсальные ЭВМ отражают классическую неймановскую архитектуру, представленную на схеме. Эта схема во многом характерна как для микроЭВМ, так и для мини ЭВМ и ЭВМ общего назначения.

 

Рис. 1 Архитектура персонального компьютера

Рассмотрим устройства подробнее.

Основная часть системной платы — микропроцессор (МП) или CPU (Central Processing Unit), он управляет работой всех узлов ПК и программой, описывающей алгоритм решаемой задачи. МП имеет сложную структуру в виде электронных логических схем. В качестве его компонент можно выделить:

A).    АЛУ    -    арифметико-логическое    устройство, предназначенное для выполнения арифметических и логических операций над данными и адресами памяти;

Б).   Регистры   или   микропроцессорная   память   — сверхоперативная память, работающая со скоростью процессора, АЛУ работает именно с ними;

B). УУ - устройство управления - управление работой всех узлов МП посредством выработки и передачи другим его компонентам управляющих импульсов, поступающих от кварцевого тактового генератора, который при включении ПК начинает вибрировать с постоянной частотой (100 МГц, 200-400 МГц). Эти колебания и задают темп работы всей системной платы;

Г). СПр - система прерываний - специальный регистр, описывающий состояние МП, позволяющий прерывать работу МП в любой момент времени для немедленной обработки некоторого поступившего запроса, или постановки его в очередь; после обработки запроса СПр обеспечивает восстановление прерванного процесса;

Д). Устройство управления общей шиной — интерфейсная система.

Для расширения возможностей ПК и повышения функциональных характеристик микропроцессора дополнительно может поставляться математический сопроцессор, служащий для расширения набора команд МП. Например, математический сопроцессор IBM-совместимых ПК расширяет возможности МП для вычислений с плавающей точкой; сопроцессор в локальных сетях (LAN-процессор) расширяет функции МП в локальных сетях.

13 Микропроцессор

Микропроцессор характеризуется: 
1) тактовой частотой, определяющей максимальное время выполнения переключения элементов в ЭВМ; 
2) разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов.

Разрядностть МП обозначается m/n/k/ и включает: 
m - разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров; 
n - разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации; 
k - разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. Например, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20; 
3) архитектурой. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.

Микроархитектура микропроцессора - это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.

Макроархитектура - это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.

В общем случае под архитектурой ЭВМ понимается абстрактное представление машины в терминах основных функциональных модулей, языка ЭВМ, структуры данных.

Архитектура типичной небольшой вычислительной системы на основе микроЭВМ показана на рис. 2.1 Такая микроЭВМ содержит все 5 основных блоков цифровой машины: устройство ввода информации, управляющее устройство (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) (входящие в состав микропроцессора), запоминающие устройства (ЗУ) и устройство вывода информации. Рис. 2.1. Архитектура типового микропроцессора. Микропроцессор координирует работу всех устройств цифровой системы с помощью шины управления (ШУ). Помимо ШУ имеется 16-разрядная адресная шина (ША), которая служит для выбора определенной ячейки памяти, порта ввода или порта вывода. По 8-разрядной информационной шине или шине данных (ШД) осуществляется двунаправленная пересылка данных к микропроцессору и от микропроцессора. Важно отметить, что МП может посылать информацию в память микроЭВМ или к одному из портов вывода, а также получать информацию из памяти или от одного из портов ввода. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) в микроЭВМ содержит некоторую программу (на практике программу инициализации ЭВМ). Программы могут быть загружены в запоминающее устройство с произвольной выборкой (ЗУПВ) и из внешнего запоминающего устройства (ВЗУ). Это программы пользователя.

14) Персональные компьютеры имеют четыре иерархических уровня памяти: 
микропроцессорная память; 
основная память; 
регистровая кэш-память; 
внешняя память. 

Микропроцессорная память рассмотрена выше. Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с другими устройствами компьютера. Функции памяти: 
прием информации от других устройств; 
запоминание информации; 
выдача информации по запросу в другие устройства машины. 

Основная память содержит два вида запоминающих устройств: 
ПЗУ — постоянное запоминающее устройство; 
ОЗУ — оперативное запоминающее устройство. 

ПЗУ предназначено для хранения постоянной программной и справочной информации. Данные в ПЗУ заносятся при изготовлении. Информацию, хранящуюся в ПЗУ, можно только считывать, но не изменять. 

В ПЗУ находятся: 
программа управления работой процессора; 
программа запуска и останова компьютера; 
программы тестирования устройств, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы его блоков; 
программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью; 
информация о том, где на диске находится операционная система. 

ПЗУ является энергонезависимой памятью, при отключении питания информация в нем сохраняется. 

ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом компьютером в текущий период времени. 

Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к памяти). Все ячейки памяти объединены в группы по 8 бит (1 байт), каждая такая группа имеет адрес, по которому к ней можно обратиться. 

ОЗУ является энергозависимой памятью, при выключении питания информация в нем стирается. 

В современных компьютерах объем памяти обычно составляет 8-128 Мбайт. Объем памяти — важная характеристика компьютера, она влияет на скорость работы и работоспособность программ. 

Кроме ПЗУ и ОЗУ на системной плате имеется и энергонезависимая CMOS-память, постоянно питающаяся от своего аккумулятора. В ней хранятся параметры конфигурации компьютера, которые проверяются при каждом рключении системы. Это полупостоянная память. Для изменения параметров конфигурации компьютера в BIOS содержится программа настройки конфигурации компьютера - SETUP. 

Для ускорения доступа к оперативной памяти используется специальная сверхбыстродействующая кэш-память, которая располагается как бы «между» микропроцессором и оперативной памятью, в ней хранятся копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. Регистры кэш-памяти недоступны для пользователя. 

В кэш-памяти хранятся данные, которые микропроцессор получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Быстрый доступ к этим данным позволяет сократить время выполнения очередных команд программы. 

Микропроцессоры, начиная от МП 80486, имеют свою встроенную кэш-память. Микропроцессоры Pentium и Реntium Pro имеют кэш-память отдельно для данных и отдельно для команд. Для всех микропроцессоров может использоваться дополнительная кэш-память, размещаемая на материнской плате вне микропроцессора, емкость которой может достигать нескольких Мбайт. Внешняя память относится к внешним устройствам компьютера и используется для долговременного хранения любой информации, которая может потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранятся все программное обеспечение компьютера.

15.Устройства ввода-вывода информации

Человек взаимодействует с информационными системами главным образом через устройства ввода-вывода (input-output devices). Прогресс в области информационных технологий достигается не только благодаря возрастающей скорости процессоров и емкости запоминающих устройств, но также за счет совершенствования устройств ввода и вывода данных. Устройства ввода-вывода называются также периферийными устройствами (peripheral devices).

УСТРОЙСТВА ВВОДА ДАННЫХ

Клавиатура 

Клавиатура (keyboard) – традиционное устройство ввода данных в компьютер. Клавиатурами оснащены как персональные компьютеры, так и терминалы мэйнфреймов. Клавиатура современного компьютера содержит обычно 101 или 102 клавиши, разделенные на 4 блока:

	алфавитно-цифровой блок – содержит клавиши латинского и национального алфавитов, а также клавиши цифр и специальных символов;
	блок управляющих клавиш;
	блок расширенной цифровой клавиатуры;
	блок навигации.

Компьютерная мышь

Мышь (mouse) была разработана довольно давно (в 60-х годах), но стала широко использоваться только с приходом в мир персональных компьютеров графического пользовательского интерфейса. Обычно мышь, как и клавиатура, подключается к компьютеру с помощью кабеля. Пользоваться мышью легко – вы передвигаете ее по столу, а на экране компьютера синхронно перемещается курсор. Чтобы активизировать некоторую опцию, нужно щелкнуть левой (left)клавишей мыши. С помощью мыши можно также "рисовать" на экране картинки.

Сенсорные экраны 

Сенсорные экраны (touch screens) предназначены для тех, кто не может пользоваться обычной клавиатурой. Пользователь может ввести символ или команду прикосновением пальца к определенной области экрана. Сенсорные экраны используются в основном на сладах продукции, в ресторанах, супермаркетах. К примеру, в магазинах Muse Inc. (Бруклин), продающей компакт-диски, можно прослушать желаемую композицию, прикоснувшись пальцем к ее названию на экране компьютера. Слушая выбранную мелодию, вы можете одним прикосновением вызвать список других композиций исполнителя.

Устройства автоматизированного ввода информации 

Устройства этого типа считывают информацию с носителя, где она уже имеется. Примерами таких систем могут служить кассовые терминалы, сканеры штрих-кодов и другие системы оптического распознавания символов. Одно из преимуществ устройств автоматизированного ввода данных состоит в том, что при их использовании исключаются некоторые ошибки, неизбежные при вводе информации с клавиатуры. Сканер штрих-кодов делает менее чем одну ошибку на 10000 операций, в то время как обученный наборщик ошибается один раз при вводе каждых 1000 строк. Основные вида устройств автоматизированного ввода информации – системы распознавания магнитных знаков, системы оптического распознавания символов, системы ввода информации на базе светового пера, сканеры, системы распознавания речи, сенсорные датчики и устройства видеозахвата. Системы распознавания магнитных знаков (Magnetic Inc Character Recognition, MICR) используются в основном в банковской сфере. В нижней части обычного банковского чека находится код, нанесенный специальными магнитными чернилами. В коде содержится номер банка, номер расчетного счета и номер чека. Система считывает информацию, преобразовывает ее в цифровую форму и передает в банк для обработки. Системы оптического распознавания символов (Optical Character Recognition, OCR) преобразуют специальным образом нанесенную на носитель информацию в цифровую форму. Наиболее широко используемые устройства этого типа –сканеры штрих-кодов (bar-code scanners), которые применяются в кассовых терминалах магазинов. Эти системы используются также в больницах, библиотеках, на военных объектах, складах продукции и в компаниях по перевозке грузов. В дополнение к данным, идентифицирующим предмет, на который нанесен штрих-код, последний может содержать информацию о времени, дате и физическом положении предмета; таким образом, можно, например, отслеживать передвижение груза. Ручные устройства распознавания информации, такие как перьевые планшеты, особенно полезны для людей, работающих в сферах сбыта продукции и сервиса – такие работники избегают "общения" с клавиатурой. Устройства перьевого ввода обычно содержат плоский экран и световое перо, похожее на шариковую ручку. Перьевые планшеты преобразуют буквы и цифры, написанные пользователем на экране, в цифровую форму, и передают эти данные в компьютер для обработки. Например, United Parcel Service (UPS), известнейшая в мире компания по доставке грузов, заменила обычные планшеты с листками бумаги, использовавшиеся водителями, на портативные перьевые планшеты. Эти устройства используются для подтверждения заказов, и передачи другой информации, необходимой для погрузки и доставки грузов. К недостаткам систем данного вида следует отнести недостаточную точность распознавания информации, написанной от руки. Сканеры (scanners) преобразуют в цифровую форму графическую информацию (рисунки, чертежи и пр.) и большие объемы текстовой информации. Системы распознавания речи (voice input devices) преобразуют в цифровую форму произносимые пользователем слова. Существует два режима работы подобных устройств. В режиме управления (command mode) вы произносите команды (такие как "открыть документ", "запустить программу" и т.д.), которые выполняются компьютером. В режиме диктовки (dictation mode) можно надиктовывать компьютеру любой текст. К сожалению, точность распознавания речи таких систем оставляет желать лучшего. Человеческий голос имеет множество оттенков, на точность распознавания может повлиять интонация, громкость речь, окружающий шум, даже банальный насморк. Тем не менее, работа над совершенствованием этих устройств ввода информации продолжается и, несомненно, у них большое будущее. Некоторые отделения Почтовой службы США используют системы распознавания речи для повышения эффективности труда работников, занятых упаковкой и сортировкой почтовых грузов. Вместо того чтобы вводитьZIP-код, работник произносит его, в то время как его руки заняты упаковкой. Сенсорные датчики (sensors) – это устройства для ввода в компьютер пространственной информации. Например, корпорация General Motors использует сенсоры в своих легковых автомобилях для передачи в бортовой компьютер машины данных об окружающем пространстве и маршруте. Сенсорные датчики также нашли применение в системах виртуальной реальности, игровых приставках и симуляторах. Устройства видеозахвата (video capture devices) представляют собой небольшие цифровые видеокамеры, соединенные с компьютером. Устройства видеозахвата применяются в основном в системах видеоконференций, которые получают все большее распространение. Благодаря развитию локальных сетей и Интернет, появилась возможность организовывать видеоконференцсвязь, находясь в любой точке планеты.

16. УСТРОЙСТВА ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ

Основные устройства вывода информации – мониторы и принтеры.

Мониторы

Мониторы (monitors) – наиболее популярные устройства отображения информации. Основа большинства современных мониторов – электронно-лучевая трубка, ЭЛТ (cathode ray tube, CRT). По принципу работы ЭЛТ напоминают кинескопы, используемые в обычных телевизорах – электронная пушка испускает пучок электронов, высвечивающих на экране картинку, состоящую из точек (pixels). Чем больше точек может вместить экран, тем выше разрешение (resolution) монитора. Большинство мониторов поддерживают режимы разрешения 800x600 и 1024x768 точек. Кроме разрешения, мониторы характеризуются следующими параметрами, определяющими качество изображения:

	размер зерна (dot size), дюйм (inch) – физический размер одной точки экрана монитора. Чем меньше размер зерна, тем выше качество изображения. Большинство мониторов бизнес-класса имеют размер зерна, равный 0.28 дюйма;
	размер ЭЛТ по диагонали (CRT size), дюйм (inch). Еще недавно стандартом был размер ЭЛТ 14 дюймов, но сейчас в сфере бизнеса применяют мониторы с размерами ЭЛТ 15, 17, 19 и 21 дюйм;
	частота развертки (refresh frequency), Гц (Hz) – частота смены кадров. Чем выше частота развертки, тем меньше устают глаза пользователя. Относительно безопасной является частота развертки от 85 Гц и выше.

Принтеры

Принтеры (printers) выполняют печать информации на бумаге или пленке (результат, получаемый при печати, называют твердой копией [hard copy]). Принтеры бывают матричные (dot matrix), струйные (inkjet), лазерные (laser) и термографические (thermal transfer). К последним относятся сублимационные и твердочернильные. Большинство принтеров печатают от 2 до 8 страниц в минуту. Линейно-матричные принтеры могут печатать до 20000 строк в минуту. Основные характеристики принтеров:

	разрешение (print resolution) – количество точек на один квадратный дюйм. Чем выше разрешение, тем качественнее печать. Матричные принтеры обеспечивают сравнительно низкое разрешение – от 80 до 200 точек на кв. дюйм; струйные – до 720, лазерные – до 1200, термографические –  от 1200 до 5000 точек на кв. дюйм;
	скорость печати (print speed), страниц в минуту (ppm). Скорость печати варьируется от 2 ppm у матричных принтеров до 4-6 ppm у струйных и 4-8 ppm у лазерных. Мощные лазерные и термографические принтеры способны выводить на печать до 100 страниц в минуту;
	поддержка цветной печати (color print) – очень важное свойство для тех, кто занимается компьютерной графикой и дизайном. Также очень удобно пользоваться цветными принтерами при печати графиков и диаграмм. В качестве устройств цветной печати используются в основном струйные принтеры. Возможности цветной печати есть и у других типов принтеров. Однако, матричные цветные принтеры неудобны в управлении и не обеспечивают приемлемое качество печати. Лазерные и  термографические принтеры способны обеспечить высочайшее качество изображения, но эти печатающие устройства пока слишком дороги для применения в бизнесе.

Другие устройства вывода информации

Высококачественные графические документы могут быть созданы при использовании графопостроителей (plotters). Графопостроители оснащаются набором перьев, в который входят рапидографы для рисования линий разной толщины и разного цвета. Плоттеры несколько медленнее принтеров, зато позволяют получать документы больших размеров – чертежи, карты, схемы. Системы синтеза человеческого голоса (voice output devices) используются в современном программном обеспечении в основном для поддержки людей с ослабленным слухом или зрением. Такая система способна произносить содержимое экрана, преобразуя текстовую информацию в человеческую речь.