Технические средства реализации информационных процессов

2.1 ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ И РАБОТЫ КОМПЬЮТЕРОВ

1. Основные понятия. Главные устройства ПК

2. Принципы фон-Неймана. Архитектура и структура ПК

Компьютер (англ. computer — вычислитель) представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами.

Основу компьютеров образует аппаратура (HardWare), построенная, в основном, с использованием электронных и электромеханических элементов и устройств. Принцип действия компьютеров состоит в выполнении программ (SoftWare) — заранее заданных, четко определённых последовательностей арифметических, логических и других операций.

Любая компьютерная программа представляет собой последовательность отдельных команд.

Команда — это описание операции, которую должен выполнить компьютер. Как правило, у команды есть свой код (условное обозначение), исходные данные (операнды) и результат. Например, у команды "сложить два числа" операндами являются слагаемые, а результатом — их сумма. А у команды "стоп" операндов нет, а результатом является прекращение работы программы.

В зависимости от количества операндов, команды бывают:

· одноадресные;

· двухадресные;

· трехадресные;

· переменноадресные.

Команды хранятся в ячейках памяти в двоичном коде

В любом компьютере следующие главные устройства:

память (запоминающее устройство, ЗУ), состоящую из перенумерованных ячеек;

процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ);

устройство ввода;

устройство вывода.

Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация

Функции памяти:

· приём информации из других устройств;

· запоминание информации;

· выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Функции процессора:

· обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;

· программное управление работой устройств компьютера.

Та часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется устройством управления (УУ).

Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.

В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом

1. Принцип двоичного кодирования:вся информация кодируется в двоичном виде.

2. Принцип программного управления: программа состоит из набора команд, которые выполняются про Принцип однородности памяти:

3. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке. Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины. цессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

4. Принцип адресности: структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

2 типа архитектуры: Принстонская(фон Неймана) и Гарвардская(Говард фон Эйкен).

Обе выделяют 2 основных узла ЭВМ: центральный процессор и память.

Различие в структуре памяти:в Принстонской программы и данные хранятся в одном массиве памяти,передаются в процессор по одному каналу. В Гарвардской отдельная пересылка команд и данных- отдельные хранилища и потоки передачи (позволяетбыстрее работать).

Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа.

Это однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной.

Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.

Периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты. Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов..

Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру процессора, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской (MotherBoard). А контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения (DаughterBoard — дочерняя плата) и подключаются к шине с помощью разъёмов расширения, называемых также слотами расширения (англ. slot — щель, паз).

Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины, имеющей общую оперативную память и несколько процессоров, представлена на рисунке:

Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную).

Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ.

Принцип открытой архитектуры заключается в следующем:

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

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.

Схемы,управляющие многими устройствами (например,монитор) -это отдельные платы, которые вставляются в слоты расширения.

Схема стыковки новых устройств с компьютером общедоступна

Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

2.2 Состав и назначение основных элементов персонального компьютера

1. Состав и назначение основных элементов ПК. Процессор,его состав,характеристики и функции.

2. Запоминающие устройства ЭВМ: классификация, принцип работы, основные характеристики

3. Устройства ввода и вывода.

4. Классификация компьютеров.

Персональным компьютером (ПК) называют сравнительно недорогой универсальный микрокомпьютер, рассчитанный на одного пользователя. Персональные компьютеры обычно проектируются на основе принципа открытой архитектуры.

Минимальная конфигурация компьютера включает в себя: системный блок, монитор, клавиатуру и мышь.

В системном блоке размещаются: блок питания;накопитель на жёстких магнитных дисках;накопитель на гибких магнитных дисках;системная плата;платы расширения;накопитель CD-ROM;и др.

Системная плата является основной в системном блоке. Она содержит компоненты:

центральный процессор;

постоянную (ROM)

и оперативную (RAM) память,

кэш-память;

интерфейсные схемы шин;

гнёзда расширения;

обязательные системные средства ввода-вывода и др.

Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

У компьютеров четвёртого поколения и старше функции центрального процессора выполняет микропроцессор на основе СБИС, содержащей несколько миллионов элементов, конструктивно созданный на полупроводниковом кристалле путём применения сложной микроэлектронной технологии.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора.

Микропроцессор выполняет следующие функции:

· чтение и дешифрацию команд из основной памяти;

· чтение данных из ОП и регистров адаптеров внешних устройств;

· прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ;

· обработку данных и их запись в ОП и регистры адаптеров ВУ;

· выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК.

В состав центрального процессора входят:

– устройство управления (УУ);

– арифметико-логическое устройство (АЛУ);

– запоминающее устройство (ЗУ) на основе регистров процессорной памяти и кэш-памяти процессора;

– генератор тактовой частоты (ГТЧ).

Устройство управления организует процесс выполнения программ и координирует взаимодействие всех устройств ЭВМ во время её работы.

Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические операции над данными: сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение и др.

Запоминающее устройство - это внутренняя память процессора. Регистры служит промежуточной быстрой памятью, используя которые, процессор выполняет расчёты и сохраняет промежуточные результаты. Для ускорения работы с оперативной памятью используется кэш-память, в которую с опережением подкачиваются команды и данные из оперативной памяти, необходимые процессору для последующих операций.

Генератор тактовой частотыгенерирует электрические импульсы, синхронизирующие работу всех узлов компьютера. В ритме ГТЧ работает центральный процессор.