Функциональная схема компьютера

Раздел 2. Состав персонального компьютера

Персональный компьютер типа IBM – PC выпускается в следующих модификациях:

· Настольный вариант исполнения – Desktop

· Портативный – Notebook

· Карманный – Handheld

· Компьютер любой модификации состоит из трех частей:

· Монитора – для отображения информации;

· Клавиатуры – для ввода информации;

· Системного блока, в котором находятся основные электронные схемы, управляющие работой всех устройств компьютера и блок питания, преобразующий переменный ток напряжением 220 вольт в постоянный ток низкого напряжения.

Персональный компьютер, как и любая ЭВМ – это электронная схема, работающая под управлением программ.

Функциональная схема компьютера

Джон фон Нейман в своем докладе в 1945 году описал, как должен быть устроен компьютер для того, чтобы он был универсальным и эффективным устройством для обработки информации.

Прежде всего, компьютер должен состоять из пяти основных функционально независимых частей:

Устройства ввода, вводящего закодированную информацию в память компьютера;

Арифметико-логического устройства, выполняющего арифметические и логические операции;

Устройства управления, которое организует процесс выполнения программ;

Запоминающего устройства, или памяти для хранения программ и данных;

Устройства вывода, выводящего обработанную информацию в, так называемый, внешний мир.

Память компьютера должна состоять из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково доступны для других устройств компьютера.

Принцип работы компьютера. В общих чертах работу компьютера можно описать так:

Информация, обрабатываемая на компьютере, называется данными. Компьютер обрабатывает информацию по определенной инструкции, представляющей собой последовательность команд, которые компьютер может выполнить. Такая последовательность команд называется программой.

Устройство ввода (УВВ) принимает через цифровые линии связи закодированную информацию от операторов, электромеханических устройств типа клавиатура или от других компьютеров сети.

Полученная информация либо сохраняется в памяти компьютера (ОЗУ) для последующего применения, либо немедленно используется арифметическими и логическими схемами (АЛУ) для выполнения необходимых операций.

Полученные результаты посредством устройства вывода (УВВ) отправляются обратно во внешний мир.

Все эти действия координируются блоком управления (УУ).

Арифметические и логические схемы в комплексе с главными управляющими схемами называются процессором, являющимся основным устройством компьютера, а все вместе взятое оборудование для ввода и вывода – устройством ввода-вывода (input-output unit, I/O unit).

Процессор может обрабатывать числовую, текстовую, графическую, видео и звуковую информацию

Все виды информации кодируются в виде последовательности импульсов: есть импульс (1), нет импульса (0), т.е. в последовательности нулей и единиц (машинный язык).

Однако пользователь очень плохо понимает информацию, представленную в виде нулей и единиц (двоичный код) и, тем более, не воспринимает ее в виде последовательности электрических импульсов. Следовательно, в состав персонального компьютера должны входить специальные устройства ввода и вывода информации. Устройства ввода «переводят», вводимую человеком информацию, в двоичный код, а устройства вывода, наоборот, «переводят» информацию с языка компьютера в формы, доступные для человеческого восприятия.

Рис. 2.1 Принцип работы компьютера.

Состав и принцип работы компьютера можно представить в виде следующей схемы:

Для ввода числовой и текстовой информации используется клавиатура.

Для ввода графической информации или для работы с графическим интерфейсом программ чаще всего используются манипуляторы типа мышь.

Если мы хотим ввести в компьютер фотографию или рисунок, то используется сканер.

В настоящее время все большее распространение получают цифровые камеры (фотоаппараты и видеокамеры), которые формируют изображения уже в компьютерном формате.

Для ввода звуковой информации используют микрофон, подключенный к входу звуковой платы

Для управления компьютерными играми удобнее использовать специальные устройства – игровые манипуляторы (джойстики).

Наиболее универсальным устройством вывода является монитор, на экране которого высвечивается числовая, текстовая, графическая и видеоинформация.

Для сохранения числовой, текстовой и графической информации, в виде «твердой копии» на бумаге, используется принтер.

Для вывода на бумагу сложных чертежей, рисунков и схем большого формата, используется плоттер (графопостроитель).

Вывод звуковой информации осуществляется с помощью акустических колонок или наушников, подключенных к выходу звуковой платы.

Программа и данные должны быть загружены в оперативную память.

Процессор последовательно считывает команды программы, а также необходимые данные из оперативной памяти, выполняет команды, а затем записывает данные – результаты обратно в оперативную память. В процессе выполнения программы процессор может запрашивать данные с устройств ввода и пересылать данные на устройства вывода.

Однако при выключении питания компьютера вся информация из оперативной памяти стирается.Для пользователя необходимо иметь возможность долговременного хранения программ и данных. Такое устройство имеется и называется долговременная или внешняя память.

В качестве устройств долговременной памяти используются накопители (дисководы) для гибких магнитных дисков, жесткие диски («винчестеры»), дисководы CD-R, -RW и дисководы DVD-R, -RW.

Обмен информацией между отдельными устройствами компьютера производится по магистрали, соединяющей все устройства компьютера.

2.2. Магистрально – модульный принцип построения
компьютера

В основу современных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Модульный принцип позволяет пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между модулями.

Процессор			Оперативная память
Шина данных (8, 16, 32, 64 разряда)
Шина адреса (16, 20, 24, 32 разряда)	МАГИСТРАЛЬ
Шина управления
Устройства ввода:	Долговременная память:	Устройства вывода:
Клавиатура	НГМД	Монитор
Мышь, трекбол	НЖМД	Принтер
Микрофон	CD-ROM	Акустические колонки
Сканер	DVD-ROM	Плоттер
Цифровая камера
Джойстик

Рис. 2.2. Функциональная схема компьютера

Магистраль включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления. Шины представляют собой многопроводные линии.

Разрядность шины определяется разрядностью процессора, т.е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт.

Информация по шине данных может передаваться от процессора какому-либо устройству, либо, наоборот, от устройства к процессору, т.е. шина данных является двунаправленной

Выбор абонента по обмену данными производит процессор, который формирует код адреса устройства, а для оперативной памяти – код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина)

Разрядность шины определяет адресное пространство процессора, т.е. количество ячеек оперативной памяти, которое будет иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек можно рассчитать по формуле:

N=2^K, где K– разрядность шины адреса.

В современных компьютерах максимально возможное количество адресуемых ячеек равно N=2³² = 4 294 967 296

Каждая ячейка имеет объем 1 байт, следовательно, максимальный объем адресуемой памяти равен:

4 294 967 296 байт = 4 194 304 Кбайт = 4096 Мбайт = 4 Гбайт

В персональных компьютерах величина оперативной памяти может быть значительно меньше адресуемой памяти, например 64 Мбайт, 128 Мбайт, 256 Мбайт, 512 Мбайт, ...

По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией (чтение/запись), и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией.

Все устройства компьютера подключаются к магистрали с помощью специальных согласующих устройств – контроллеров. Только процессор и оперативная память подключены к магистрали непосредственно.

Контроллеры устройств обеспечивают согласование скорости ввода/вывода информации со скоростью ее обработки.