Основные принципы строения персонального компьютера.

Тема 5. Технические средства реализации информационных процессов.

История развития ЭВМ; поколения ЭВМ.

Классификация ЭВМ.

Основные принципы строения персонального компьютера.

Микропроцессор.

Внутренняя память.

Устройства ввода информации и их характеристики.

Устройства вывода информации и их характеристики.

Запоминающие устройства и их характеристики.

Устройства передачи информации и их характеристики.

Организационные формы использования и режимы работы ЭВМ.

История развития ЭВМ. Поколения ЭВМ.

Первое поколение (1946 – середина 50-х годов).

Элементная база: электронно-вакуумные лампы, резисторы и конденсаторы. Габариты: громадные шкафы, занимающие целые залы. Скорость работы: 10-20 тыс. операций в секунду. Программирование: в машинных кодах.

Второе поколение (конец 50-х – конец 60-х годов).

Элементная база: полупроводниковые транзисторы, диоды. Габариты: стойки чуть выше человеческого роста. Производительность: до 1 млн. операций в секунду. Введен принцип разделения времени для совмещения во времени работы разных устройств. Программирование: появились алгоритмические языки. Программы вводились с помощью перфокарт или перфолент. Задачи решались в пакетном режиме: друг за другом по мере освобождения устройств обработки.

Третье поколение (конец 60-х – конец 70-х годов).

Элементная база: интегральные схемы. Габариты: схожи с ЭВМ второго поколения. Скорость: несколько миллионов операций в секунду. В структуре ЭВМ появился принцип модульности и магистральности. Увеличился объем памяти, память разделилась на ОЗУ и ПЗУ, появились магнитные диски, ленты, дисплеи и графопостроители. Программирование: такое же, как во втором поколении. Наряду с пакетной обработкой появился режим работы с разделением времени.

Четвертое поколение (от конца 70-х по настоящее время).

Элементная база: большие и сверхбольшие интегральные схемы, содержащие сотни тысяч элементов на одном кристалле. Габариты: персональный компьютер. Скорость: до миллиарда операций в секунду. Программирование: новые языки и среды программирования, новые принципы программирования. Развитие операционных систем, а также широкого класса программ прикладного характера.

Пятое поколение (начало 80-х годов по наше время) – искусственный интеллект.

Классификация ЭВМ.

Классификация по принципу действия:

- цифровые – вычислительные машины дискретного действия, работающие с информацией, представленной в цифровой (дискретной) форме;

- аналоговые – вычислительные машины непрерывного действия, работающие с информацией, представленной в аналоговой форме;

- гибридные – вычислительные машины смешанного действия, позволяющие обрабатывать информацию, представленную как в цифровой, так и в аналоговой форме.

Классификация по назначению:

- универсальные ЭВМ – предназначены для выполнения экономических, инженерных, информационных и других задач, связанных со сложными алгоритмами и большими объемами данных. Они характеризуются большой емкостью оперативной памяти, высокой производительностью, обширным спектром выполняемых задач (арифметических, логических, специальных) и разнообразием форм обрабатываемых данных;

- проблемно-ориентированные ЭВМ – обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами и служат для решения задач, связанных с управлением технологическими процессами, регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных, выполнения расчетов с относительно несложным алгоритмом;

- специализированные ЭВМ – служат для решения строго определенных групп задач. Высокая производительность и надежность работы обеспечивается наличием возможности специализировать их структуру.

Классификация по размерам и функциональным возможностям учитывает важнейшие технико-эксплуатационные характеристики компьютера, такие, как быстродействие; разрядность и формы представления чисел; номенклатура, емкость и быстродействие запоминающих устройств; типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов; возможность работы в многопользовательском и мультипрограммном режиме; наличие и функциональные возможности программного обеспечения; программная совместимость с другими типами ЭВМ; система и структура машинных команд; возможность подключения к каналам связи и вычислительной сети; экс­плуатационная надежность и др.

Согласно перечисленным выше критериям ЭВМ делятся на следующие группы:

- микроЭВМ;

- малые ЭВМ;

- большие ЭВМ;

- суперЭВМ.

МикроЭВМ – класс ЭВМ, действие которых основано на микропроцессорах. Внутри своего класса микроЭВМ делятся на универсальные (многопользовательские и персональные) и специализированные (серверы и рабочие станции).

Многопользовательские – мощные микроЭВМ, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать сразу нескольким пользователям.

Персональные – микроЭВМ, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения, ориентированные на работу в однопользовательском режиме. Современные персональные компьютеры имеют два вида исполнения: настольный (стационарный) и портативный (переносной).

Портативные компьютеры представляют собой быстроразвивающийся подкласс, который, по некоторым оценкам, в ближайшее время будет занимать превалирующие позиции среди микроЭВМ. Главной отличительной чертой портативных компьютеров является наличие блока автономного питания и LCD-монитора. Среди существующих в настоящее время портативных компьютеров различают:

- компьютеры типа Lap Тор;

- компьютеры-блокноты типа Note book;

- карманные компьютеры типа Palm Тор;

- электронные секретари типа PDA (Personal Digital Assistant);

- электронные записные книжки (органайзеры – organizer).

Серверы (server) – особо интенсивно развивающаяся группа микроЭВМ, применяемая в вычислительных сетях. Сервер представляет собой компьютер, выделенный для обработки запросов со всех станций сети, а также предоставляющий этим станциям доступ к общим системным ресурсам. Кроме того, на сервер возлагаются функции распределителя ресурсов.

Для решения конкретных задач, связанных с устранением узких мест в работе сети, серверы часто подразделяются на следующие виды:

- сервер приложений – универсальный сервер, занимающийся обработкой запросов с рабочих станций сети, распределением и обеспечением доступа к общим ресурсам сети;

- файл-сервер – используется для работы с файлами данных, характеризуется большими объемами дисковых запоминающих устройств;

- архивационный сервер – служит для резервного копирования информации в крупных многосерверных сетях. Как правило, на такого рода серверах применяются стримеры со сменными картриджами. Сжатие и архивирование информации производится чаще всего один раз в день в автоматическом режиме по сценарию, заданному администратором;

- почтовый сервер – выделенная рабочая станция, предназначенная для организации электронной почты, с электронными почтовыми ящиками и специализированной системой защиты от несанкционированного доступа;

- факс-сервер – выделенная рабочая станция для организации высокоэффективной многоадресной факсимильной связи. Такие компьютеры, как правило, оснащаются несколькими факсмодемными платами и специализированной системой защиты от несанкционированного доступа в процессе передачи;

- сервер печати – предназначен для организации эффективного использования системных принтеров;

- сервер телеконференций – сервер, снабженный системой автоматической обработки видеоизображений.

Рабочие станции (work station) – однопользовательские микроЭВМ, специализированные для выполнения определенного вида работ.

Малые ЭВМ (мини-ЭВМ) – класс ЭВМ, разрабатывающихся на основе микропроцессорных наборов интегральных микросхем 16, 32, 64-разрядных микропроцессоров. Компьютеры этого класса характеризуются широким диапазоном производительности в конкретных условиях применения, аппаратной реализацией большинства функций ввода-вывода информации, достаточно простой реализацией микропроцессорных и многомашинных систем, возможностью работы с форматами данных различной длины. Мини­ЭВМ ориентированы на использование в качестве управляющих вычислительных комплексов. Кроме того, они могут быть использованы для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, системах автоматизированного проектирования и моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта.

К основным характеристикам машин этого класса относятся количество процессоров (от 1 до 16), производительность (от 1 до 600 MIPS), емкость основной памяти (от 4 Мбайт до 2 Гбайт), емкость дисковой памяти (2-300 Гбайт), количество каналов ввода-вывода (до 32).

Большие ЭВМ (mainframe) – класс ЭВМ, предназначенных для решения научно-технических задач и задач, связанных с управлением вычислительными сетями и их ресурсами, работы в вычислительных системах с пакетной обработкой информации и боль­шими базами данных. В последнее время наметилась тенденция использования этого класса ЭВМ в качестве больших серверов вычислительных сетей.

Основными характеристиками больших ЭВМ являются производительность (не менее 10 MIPS), емкость основной памяти (до 10 Гбайт), внешняя память (не менее 50 Гбайт), многопроцессорность (от 4 до 8 векторных процессоров), многоканальность (до 256 каналов ввода-вывода), многопользовательский режим работы (обслуживание до 1000 пользователей одновременно). На больших ЭВМ сейчас находится около 70% компьютерной информации.

СуперЭВМ – класс мощных многопроцессорных вычислительных машин с быстродействием в десятки миллиардов операций в секунду. ЭВМ этого класса представляют собой многопроцессорные вычислительные системы и структурно делятся на следующие группы:

- магистральные (конвейерные), снабженные процессорами, одновременно выполняющими разные операции над последовательными потоками обрабатываемых данных. Такие системы называют системами с многократным потоком команд и однократным потоком данных;

- векторные, работа которых характеризуется тем, что все их процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными (однократный поток команд и многократный поток данных);

- матричные, в которых процессорами одновременно выполняются действия над несколькими последовательными потоками обрабатываемых данных.

Основные принципы строения персонального компьютера.

Компьютер – это электронная машина, которая состоит из согласованно работающих аппаратных и программных средств.

Основные принципы функционирования компьютера были предложены американским ученым Джоном фон Нейманом. К ним относятся:

- возможность ввода программы в память ЭВМ;

- считывание первой команды программы из ячейки памяти и организация ее выполнения;

- организация управления последовательностью выполнения последующих команд в любой очередности, что позволяло многократно использовать одни и те же последовательности команд в программе (организовывать циклы) или выполнять различные последовательности команд в зависимости от выполнения каких-либо условий (разветвление команды).

Для реализации этих принципов компьютер должен быть снабжен:

- внешними устройствами для ввода-вывода информации;

- арифметико-логическим устройством для выполнения арифметических и логических операций;

- устройством управления для организации процесса выполнения программ;

- запоминающим устройством для хранения программ и данных.

«Минимальная конфигурация ПК»:системный блок, монитор, клавиатура.

В основу устройства персонального компьютера положены магистрально-модульный принцип и принцип открытой архитектуры. Магистрально-модульный принцип строения персонального компьютера состоит в следующем: на системной (материнской) плате размещаются микропроцессор и оперативная память. Эти основные микросхемы связаны с внешними (периферийными) устройствами магистралями (шинами). Соединение происходит с помощью контроллеров (адаптеров), которые согласовывают сигналы устройства с сигналами шины и осуществляют управление устройством по командам, поступающим от центрального процессора.

Шины бывают трех типов (в зависимости от передаваемых сигналов): шина адреса (адреса устройств и ячеек памяти), шина данных (данные), управляющая шина (управляющие сигналы). Основной характеристикой шин является разрядность. Разрядность – максимальное количество бит, передаваемое по шине одновременно. Бывают 8-, 16-, 32-, 64-разрядные шины. Еще одной характеристикой является быстродействие – количество бит, передаваемых в единицу времени.

Функции платы могут быть расширены дополнительными модулями (дочерними платами), имеющими специальное назначение, например расширение оперативной памяти, управление накопителями на дисках. Эти платы подключаются к системной через разъемы стандартной шины.

Другим принципом является принцип открытой архитектуры, который проявляется в возможности дополнения или замены имеющихся аппаратных средств новыми устройствами. Этот принцип впервые применила фирма IBM, что повлияло на ускорение темпов развития вычислительной техники.

Все внешние устройства можно условно разделить на следующие группы: устройства ввода, устройства вывода, устройства хранения, устройства передачи.

Микропроцессор.

Микропроцессор –устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления.

В состав микропроцессора входят арифметико-логическое устройства (АЛУ), устройство управления (УУ), регистры памяти. Арифметико-логическое устройство отвечает за выполнение базовых арифметических и логических операций. Устройство управления формирует управляющие сигналы и координирует работу всех устройств и выполнение всех процессов в компьютере.

К характеристикам микропроцессоров относятся тактовая частота, разрядность, адресное пространство.

Такт– это промежуток времени между импульсами, которые периодически вырабатывает генератор тактовой частоты. На выполнение каждой операции отводится определенное количество тактов. Операция разбивается на определенные действия, на выполнение каждого из которых отводится один такт. Тактовая частота – количество элементарных операций, производимых в секунду. Она измеряется в кило-, мега-, гигагерцах. От тактовой частоты зависит быстродействие компьютера. Однако его нельзя свести только к одной характеристике.

Разрядность – максимальное количество бит, которые могут обрабатываться одновременно. Разрядность процессора – длина машинного слова – определяется разрядностью регистров процессора и разрядность шины данных. Теоретически эти величины могут не совпадать, однако на практике их делают одинаковыми.

Адресное пространство – это диапазон адресов, которыми может оперировать микропроцессор. Его размер определяется разрядностью шины адреса: , где n - разрядность адресной шины.

Часто также устанавливается сопроцессор, который выполняет все арифметические операции. Многоядерный процессор – центральный процессор, содержащий два и более вычислительных ядра на одном процессорном кристалле или в одном корпусе.

Внутренняя память.

Внутренняя память состоит из нескольких частей: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, оперативная память), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, постоянная память), кэш-память, видеопамять.

Внутренняя память дискретна. Элементарной (минимальной) единицей хранения информации является бит. Он может содержать 0₂ или 1₂. Однако компьютер при работе с памятью для размещения или выборки данных из нее оперирует не битами, а байтами и более крупными единицами – словами и двойными словами. В зависимости от класса компьютера слово – это два или четыре байта памяти. Для обращения к элементам памяти они снабжаются адресами, начиная с нуля. Максимальный адрес основной памяти определяется функциональными возможностями того или иного компьютера.

ОЗУ(оперативное запоминающее устройство) – энергозависимое устройство, предназначенное для чтения и записи, в котором хранятся программы и данные, обрабатываемые в настоящее время. Обозначается RAM – Random Access Memory – память с произвольным доступом. Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка ОЗУ следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины. В настоящее время для нормальной работы компьютера необходимо не менее 512 Мбайт памяти.

Существует два вида ОЗУ, отличающиеся техническими характеристиками: динамическое ОЗУ (DRAM) и статическое (SRAM). Быстродействие динамического ОЗУ на порядок ниже, чем у статического, но на одной СБИС уменьшается больший ее объем.

ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) – энергонезависимое устройство, предназначенное только для чтения. Обозначается ROM – Read Only Memory – память только для чтения. Данные в нее заносятся при изготовлении. Важнейшая микросхема постоянной памяти – модуль BIOS. BIOS (Basic Input/Output System – базовая система ввода-вывода) – совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память.

Разновидность постоянного запоминающего устройства – CMOS RAM. Это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы.

Кэш-память (от англ. caсhe – тайник). Она служит буфером между RAM и микропроцессором и позволяет увеличить скорость выполнения операций, т.к. является сверхбыстродействующей. В нее помещаются данные, которые процессор получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Эта память хранит копии наиболее часто используемых участков RAM. При обращении микропроцессора к памяти сначала ищутся данные в кэш-памяти, а затем, если остается необходимость, в оперативной памяти.

Для хранения графической информации используется видеопамять. Видеопамять (VRAM) – разновидность оперативного запоминающего устройства, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам – процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.