Лекция 4. Архитектура ЭВМ. Принцип открытой архитектуры

Вычислительная техника – это совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных. Под вычислительной системой понимают конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенный для обслуживания одного рабочего участка.

Центральным средством большинства вычислительных систем является компьютер. Компьютер (англ. computer) – это электронное устройство, предназначенное для автоматизации работы с информацией. Компьютер также часто называют электронно-вычислительной машиной (ЭВМ).

Состав вычислительной системы называется конфигурацией. Различают аппаратную конфигурацию, куда входят аппаратные средства вычислительной техники, и программную конфигурацию, куда входят программные средства вычислительной техники. Соответственно в вычислительной системе принято рассматривать:

1. Аппаратное обеспечение (англ. hardware) – это совокупность устройств, которые могут входить в состав компьютера или подключаться к нему. Набор таких устройств образует аппаратную конфигурацию.

2. Программное обеспечение (англ. software) – это совокупность программ, которые могут применяться на компьютере для реализации информационных процессов. Набор таких программ на компьютере образует программную конфигурацию. Под компьютерной программой понимается упорядоченная последовательность команд компьютера.

В конце 40-х годов ХХ в. американский математик Джон фон Нейман предложил хранить программу для ЭВМ в памяти ЭВМ. Он предложил структуру ЭВМ, названную архитектурой фон Неймана, согласно которой компьютер должен включать 5 базовых элементов:

1. Арифметико-логическое устройство (АЛУ).

2. Устройство управления (УУ).

3. Запоминающее устройство (ЗУ).

4. Устройство ввода (УВв).

5. Устройство вывода (УВыв).

Персональный компьютер (ПК, англ. Personal Computer, PC) – это компьютер для обслуживания одного рабочего места. Как правило, это небольшая ЭВМ индивидуального пользования.

Магистрально-модульный принцип функционирования ПК означает, что к системной шине (магистрали) могут подключаться различные устройства, называемые модулями.

Обязательно к шине должны подключаться:

1. Процессор (в котором совмещаются функции АЛУ, УУ, кэш-памяти и регистровой памяти).

2. Устройства ввода (обычно клавиатура и мышь).

3. Устройства вывода (обычно монитор).

4. ПЗУ (постоянное запоминающее устройство).

5. ОЗУ (оперативное запоминающее устройство).

6. ВЗУ (внешние запоминающие устройства).

Причём ПЗУ и устройства ввода передают информацию в другие устройства через шину, а устройства вывода получают информацию через неё от других устройств. Остальные устройства могут быть как приёмниками, так и передатчиками информации.

Основными характеристиками ПК являются:

1. Тактовая частота процессора (обычно 1 – 4 ГГц).

2. Объём оперативной памяти (обычно 128 МБ – 1 ГБ).

3. Объём памяти жёсткого диска (обычно 20 – 200 ГБ).

Персональный компьютер включает 4 основных устройства:

1. Системный блок.

2. Монитор.

3. Клавиатура.

4. Мышь.

Таким образом, устройства ПК по степени использования делятся на:

1. Основные устройства, которые почти всегда используются в ПК.

2. Периферийные устройства, которые могут использоваться не всегда.

Все аппаратные средства по отношению к системному блоку делятся на:

1. Внутренние устройства (внутри системного блока).

2. Внешние устройства (вне системного блока). К внешним устройствам относятся монитор, клавиатура, мышь и все периферийные устройства.

По назначению компьютерные устройства относят к следующим категориям:

1. Запоминающие устройства.

2. Устройства ввода информации.

3. Устройства вывода информации.

Кроме того, иногда выделяют также следующие категории:

4. Устройства обмена информацией.

5. Устройства обработки информации.

6. Компьютерные носители информации.

7. Вспомогательные компьютерные устройства.

Системный блок служит для обеспечения бесперебойной и надежной работы ПК. По форме корпуса системные блоки выпускают:

В системном блоке находятся материнская плата, процессор, винчестер, дисководы, ПЗУ, ОЗУ, блок питания, системная шина, контроллеры, разъёмы и т.д. На передней части системного блока могут находиться:

1. Кнопка «POWER» (для включения или выключения ПК).

2. Кнопка «RESET» (для перезагрузки ПК).

3. Дисковод (для считывания и записи информации на диски).

4. CD-привод или DVD-привод (для считывания и записи информации на диски CD и DVD).

Материнская плата – это основная плата персонального компьютера. На ней размещаются:

1. Процессор – основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций.

2. Микропроцессорный комплект (чипсет) – набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы.

3. Шины – наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера.

4. ОЗУ.

5. ПЗУ.

6. Разъёмы (слоты) для подключения дополнительных устройств.

Все внешние устройства подключаются к материнской плате через специальные устройства, называемые контроллерами.

Системная шина – это проводник для связи между устройствами, подключаемыми к материнской плате. Основными типами шин ввода-вывода с соответствующими слотами расширения в ПК являются: ISA, EISA, PCI.

Устройство обработки информации – устройство, позволяющее производить вычисления и преобразования над информацией. К устройствам обработки информации можно отнести:

1. Процессор.

2. Видеокарту.

3. Звуковую карту.

Процессор (микропроцессор) – устройство для арифметико-логической обработки информации и для управления этой информацией (наиболее популярные марки процессоров – Pentium, Celeron, Xeon, Athlon, Sempron).

Основными характеристиками процессоров являются:

1. Тактовая частота – это количество операций (тактов), выполняемых процессором в единицу времени.

2. Разрядность регистров – это количество битов данных, обрабатываемых процессором за один такт.

3. Размер кэш-памяти – это количество команд, которые процессор запоминает, в результате чего получает к ним быстрый доступ.

Процессор соединяется с остальными устройствами шинами.

Видеокарта (видеоадаптер) – устройство для проведения операций по формированию изображения на экране. Видеокарта совмещает в себе функции видеоконтроллера, видеопроцессора и видеопамяти. Основными типами видеоадаптеров являются:

1. MDA (монохромный).

2. CGA (4 цвета).

3. EGA (16 цветов).

4. VGA (256 цветов).

5. SVGA (16,7 миллиона цветов).

Звуковая карта – устройство для проведения операций по обработке звука, речи, музыки.

Вспомогательное компьютерное устройство не участвует в работе с информацией и выполняет дополнительные функции по обслуживанию компьютера. К вспомогательным устройствам относятся:

1. Таймер (системные часы).

2. Блок питания.

3. Источник бесперебойного питания (ИБП).

4. Вентилятор.

5. Кулер (охлаждающее устройство).

Персональные компьютеры обычно проектируются на основе принципа открытой архитектуры.

Принцип открытой архитектуры заключается в следующем:

- Регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определённая совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-производителями.

- Компьютер легко расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних расширительных гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, и, тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями.

Лекция 5. Уровни программной конфигурации. Операционные системы. Файловая структура.

Под программным обеспечением (Software) обычно понимается совокупность программ, выполняемых вычислительной системой.

К программному обеспечению (ПО) относится также вся область деятельности по проектированию и разработке ПО:

- технология проектирования программ (например, нисходящее проектирование, структурное и объектно-ориентированное проектирование и др.);

- методы тестирования программ;

- методы доказательства правильности программ;

- анализ качества работы программ;

- документирование программ;

- разработка и использование программных средств, облегчающих процесс проектирования программного обеспечения, и многое другое.

Программное обеспечение – неотъемлемая часть компьютерной системы. Оно является логическим продолжением технических средств. Сфера применения конкретного компьютера определяется созданным для него ПО.

Схематично представить структуру программного обеспечения можно в таком виде:

- Уровень базовый.

- Уровень системный.

- Уровень служебный.

- Уровень прикладной.

Базовый уровень - отвечает за правильную работу аппаратных средств, является уровнем класса «низкий». Программное обеспечение данного уровня хранится в микросхемах запоминающегося устройства (ПЗУ), его задача обеспечить работу входа и выхода BIOS. В процессе эксплуатации компьютера нельзя изменять программы и данные ПЗУ, они записываются в производственных условиях.

Системный уровень– отвечает за связь программ вычислительного устройства с программами базового уровня и аппаратного обеспечения, он считается переходным уровнем. Этот уровень и его программы отвечают за эксплуатационные возможности компьютера. Когда на вычислительное устройство устанавливается новое оборудование, этот уровень должен быть обеспечен программой, которая свяжет устанавливаемое оборудование и другие программы. Программы, которые отвечают за взаимную связь с устройствами компьютера, называются драйверами.

В данном уровне есть еще и программы другого класса, которые отвечают за связь с пользователем компьютера. С помощью этих программ пользователь может вводить информацию в компьютер, пользоваться ее. Данный класс называется средствами пользовательского интерфейса, состояние этих программ регламентируют работу компьютера.

Ядром системы вычислительной машины является совокупность программ этого уровня. Задачи, выполняемые этим ядром, и за что они отвечают, это: работа входа и выхода информации, работа памяти машины, работа файловой системы, и другие.

Служебный уровень – отвечает за настройку систем компьютера, за автоматизацию процессов. Многие программы данного уровня изначально входят в операционную систему, установленную на вычислительной машине. Существует 2 направления в развитии служебных программ, это программы для автономного применения и уже интегрированные в ОС.

Прикладной уровень - отвечает за выполнение уже определенных задач, которые могут быть развлекательного направления, для решения вопросов производства, учебными программами. Между системным уровнем программ и прикладным уровнем программ есть взаимная связь, работа вычислительной машины зависит от ОС стоящей на данном устройстве. Этот уровень подключает в себе: редакторы для текста, процессоры текстовые, системы автоматического создания проектирования, графические редакторы, браузеры, программы перевода текстов, системы которые управляют базами данных, таблицы, и многие другие программы прикладного уровня.

Операционная система (ОС) – это комплекс взаимосвязанных системных программ, назначение которого – организовать взаимодействие пользователя с компьютером и выполнение всех других программ.

К операционным системам относится комплекс программ, обеспечивающих управление работой всех аппаратных устройств и доступ пользователя к ним. ОС загружается при включении или перезагрузке ПК, управляет его ресурсами, обеспечивает взаимодействие пользователя с компьютером. ОС также обеспечивает поддержку работы всех остальных программ, аппаратных средств ПК и сетей ЭВМ (наиболее известные ОС – MS-DOS, Windows, Unix, Linux,
MacOS, Free BSD, Solaris, Cisco Systems, OS/2, NetWare, CP/M).

Операционная система обычно хранится во внешней памяти компьютера – на диске. При включении компьютера она считывается с дисковой памяти и размещается в ОЗУ.

Этот процесс называется загрузкой операционной системы.

В функции операционной системы входит:

- осуществление диалога с пользователем;

- ввод-вывод и управление данными;

- планирование и организация процесса обработки программ;

- распределение ресурсов (оперативной памяти и кэша, процессора, внешних устройств);

- запуск программ на выполнение;

- всевозможные вспомогательные операции обслуживания;

- передача информации между различными внутренними устройствами;

- программная поддержка работы периферийных устройств (дисплея, клавиатуры, дисковых накопителей, принтера и др.).

По типу использования общих аппаратных и программных ресурсов ОС делятся на:

- Локальные.

- Сетевые.

По типу пользовательского интерфейса ОС делятся на:

- Командные (текстовые ОС).

- Объектно-ориентированные (графические ОС).

По количеству работающих пользователей ОС делятся на:

- Однопользовательские.

- Многопользовательские.

По числу выполняемых задач ОС делятся на:

- Однозадачные.

- Многозадачные (ОС пакетной обработки, ОС разделения времени, ОС реального времени).

Различают вытесняющую и невытесняющую многозадачность. ОС пакетной обработки позволяют выполнить заранее сформированный пакет задач, ОС разделения времени позволяют разделить время для выполнения каждой задачи, а ОС реального времени позволяют выполнять каждую задачу за заранее заданное время.

По количеству используемых процессоров ОС делятся на:

- Однопроцессорные.

- Многопроцессорные.

По разрядности процессора ОС делятся на:

- 32-разрядные.

- 64-разрядные.

Именованными компонентами Windows являются:

- Приложения (программы, адаптированные к работе в данной ОС).

- Документы (файлы, представляющие собой результаты работы приложения).

- Папки (области, хранящие группу файлов или обозначающие устройства, подключаемые к ПК).

Компоненты можно просматривать в окне (прямоугольная область экрана).

Файл – это именованная область на диске, обозначаемая именем и расширением. Расширение означает назначение файла. Наиболее известные расширения такие:

exe – выполняемые файлы;

com – командные файлы;

bat – пакетные файлы;

bak – резервные копии файлов;

arj, rar, zip – архивные файлы;

txt, rtf – текстовые файлы;

doc – файлы текстовых документов;

xls – файлы электронных таблиц;

mdb – файлы баз данных;

mcd – файлы вычислительных документов;

bmp, jpg, gif – файлы растровых рисунков и фотографий;

ppt, pps – файлы презентаций;

dwg – файлы чертежей;

pas, bas, c – файлы с текстами программ на языках Pascal, Basic, C;

htm – файлы с описанием Web-страницы на языке HTML;

wav, mp3 – звуковые файлы;

avi – файлы аудиовидеоклипов.

Файловая система – это средство для организации хранения файлов на каком-либо носителе.

Файлы физически реализуются как участки памяти на внешних носителях – магнитных дисках, флеш-картах, картах памяти или CD-ROM.

Каждый файл занимает некоторое количество блоков дисковой памяти.

Обслуживает файлы специальный модуль операционной системы, называемый драйвером файловой системы. Каждый файл имеет имя, зарегистрированное в каталоге – оглавлении файлов.

Каталог (иногда называется директорией или папкой) доступен пользователю через командный язык операционной системы.

Его можно просматривать, переименовывать зарегистрированные в нем файлы, переносить их содержимое на новое место и удалять.

Каталог может иметь собственное имя и храниться в другом каталоге наряду с обычными файлами: так образуются иерархические файловые структуры.

Драйвер файловой системы обеспечивает доступ к информации, записанной на магнитный диск, по имени файла и распределяет пространство на магнитном диске между файлами.

Для выполнения этих функций драйвер файловой системы хранит на диске не только информацию пользователя, но и свою собственную служебную информацию. В служебных областях диска хранится список всех файлов и каталогов, а также различные дополнительные

Структура файловой системы и структура хранения данных на внешних магнитных носителях определяет удобство работы пользователя, скорость доступа к файлам и т.д. (на жестком диске Fat32, NTFS)