ЛЕКЦИЯ 2. Аппаратное обеспечение реализации информационных
процессов.
План.
1. Принцип устройства компьютера.
2. Основные блоки и качественные характеристики ПК.
3. Периферийные устройства.
4. Микропроцессор.
5. Оперативная память, кэш-память.
6. 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:
1.
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.
|
|
Канал
связи
|
Минимальный состав
персональных компьютеров:
1) системный блок
2) монитор (дисплей)
3) 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:
1) между микропроцессором и основной памятью;
2) между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
3) 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 килобай
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.
2.
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:
1) постоянные – ПЗУ – в которых информация хранится, не изменяясь сколь угодно долго;
2) 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 (PentiumIII), 1400 и выше МГц (PentiumIV и т.д.).
Быстродействие микропроцессора во многом определяет скорость работы самого компьютера и диапазон его применения (бухгалтерия, инженерия, компьютерные игры и др.)
3.
Оперативная память, кэш-память.
Память
- обязательный элемент конструкции компьютера. Память компьютера состоит из оперативного запоминающего устройства
(ОЗУ), или памяти произвольного доступа (RandomAccessMemory, RAM), и постоянного запоминающего устройства
(ПЗУ – Read-OnlyMemory, 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 PentiumIIXeon имеет 1-2 Мбайта быстрой кэш-памяти; один из мощнейших процессоров Intel – PentiumIII – 512 Кбайт кэш-памяти; наиболее мощный микропроцессор PentiumIIIXeon – 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.
6.
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.