Персональні комп'ютери. Особливості їхньої структури, конструкції та конфігурації

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1.

Теоретична частина

Машини Фон-Неймановського типу

В основу побудови більшості ЕОМ покладені наступні загальні принципи, сформульовані в 1945 році американським вченим угорського походження Джоном фон Нейманом.

Комп’ютер повинен мати наступні пристрої:

1. Арифметично-логічний пристрій (виконує арифметичні та логічні операції);

2. Пристрій керування (організує процес виконання програм);

3. Запам’ятовуючий пристрій (пам'ять для збереження програм та даних);

4. Зовнішні пристрої (введення і виведення інформації).

В основі роботи комп’ютера лежать наступні принципи:

· Принцип двійкового кодування. Відповідно до цього принципу, вся інформація, що надходить в ЕОМ, кодується за допомогою двійкових сигналів.

· Принцип програмного керування. З нього випливає, що програма складається з набору команд, що виконуються процесором автоматично одна за одною у визначеній послідовності.

· Принцип однорідності пам’яті. Програми і дані зберігаються в одній і тій же пам’яті. ЕОМ не розрізняє, що зберігається в даній комірці пам’яті – число, текст чи команда. Над командами можна виконувати такі ж дії, як і над даними.

· Принцип адресації. Структурно основна пам'ять складається з пронумерованих осередків; процесору в довільний момент часу доступний будь-який осередок.

Комбінаційні схеми і цифрові автомати

У комбінаційних схемах (КС) результат перетворення (вихідні сигнали) залежить тільки від комбінації сигналів, поданих на її входи в даний момент часу. У КС відсутні елементи пам'яті, так що сигнали, діючі на входах КС, не зберігаються. Тому КС називають автоматами без пам'яті або примітивними автоматами, використовуваними в основному для побудови простих вузлів і функціональних блоків ЕОМ (шифраторів, дешифраторів, суматорів, перетворювачів кодів, схем контролю і ін.).

У цифрових автоматах (ЦА) на відміну від КС результат перетворення інформації залежить не тільки від значень сигналів, поданих на входи в даний момент часу, але і від послідовності попередніх станів входів і виходів, тобто внутрішніх станів схеми. Для фіксації внутрішніх станів ЦА повинен містити елементи пам'яті. Тому під ЦА розуміють комбінаційний пристрій з пам’яттю, зване автоматом з пам'яттю або повним автоматом.

Вони використовуються для побудови тригерних пристроїв регістрів, лічильників, розподільників імпульсів і ін.

Персональні комп'ютери. Особливості їхньої структури, конструкції та конфігурації

Персональний комп'ютер — загальнодоступна й універсальна щодо застосування настільна або перенос­на ЕОМ. Він — обов'язковий атрибут сучасного офісу. Це основна технічна база ІТ.

Професіонали, які працюють поза комп'ютерною сфе­рою, вважають неодмінною складовою своєї компетент­ності знання апаратної частини ПК, хоча б його основних технічних характеристик.

Можливості ПК визначаються складом і характерис­тиками його функціональних блоків (рис. 1.1). Замінивши одні блоки на інші, можна досить легко та швидко мо­дернізувати ПК.

Архітектуру ПК зумовлюють потреби користувача. Го­ловне в них — структура та функціональні можливості ма­шини, які можна поділити на основні й додаткові.

Структура комп'ютера — це модель, що встановлює склад, порядок та принципи взаємодії її компонентів.

Клавіатура Миша

Рисунок 1.1. Загальний вигляд ПК

Основні функції визначають призначення ЕОМ: оброб­лення і зберігання інформації, обмін інформацією із зовнішніми об'єктами. Додаткові функції підвищують ефек­тивність виконання ЕОМ основних функцій: забезпечують ефективні режими її роботи, діалог з користувачем, високу надійність та ін. Ці функції ЕОМ реалізуються за допомо­гою її компонентів — апаратних і програмних засобів.

Достоїнствами ПК є:

• низька вартість;

• автономність експлуатації без спеціальних вимог до навколишнього середовища;

• гнучкість архітектури, що забезпечує її адаптивність до різноманітних застосувань у сфері управління, на­уки, освіти, побуту;

• «дружність» ОС та іншого програмного забезпечен­ня, що зумовлює можливість роботи з нею користу­вача без спеціальної професійної підготовки;

• висока надійність роботи (більш як 5 тис. год ек­сплуатації до відмови).

Розглянемо склад ПК і призначення його основних блоків, виходячи зі структурної схеми, зображеної на рис. 1.2.

Мікропроцесор. Він є центральним блоком ПК, при­значеним для керування роботою всіх блоків комп'ютера і виконання арифметичних та логічних операцій над інформацією. До нього входять логічні блоки (КП, АЛП), мікропроцесорна пам'ять (МПП) — складова частина, що забезпечує короткочасне зберігання, запис та видачу інформації, використовувану в обчисленнях у найближчі такти роботи комп'ютера. МПП будується на регістрах і використовується для забезпечення високої швидкодії ЕОМ, оскільки основна пам'ять не завжди забезпечує не­обхідну для швидкодійного МП швидкість запису, зчиту­вання, пошуку інформації. Регістри — найшвидкодійніші елементи пам'яті завдовжки 1—4 байти або більше.

Інтерфейсна система МП реалізує зв'язок з іншими пристроями ПК (через системну шину).

Генератор тактових імпульсів. Генерує послідовність електричних імпульсів, частота яких визначає тактову ча­стоту комп'ютера. Проміжок часу між імпульсами стано­вить такт.

Системна шина. Це основна інтерфейсна система ПК, що забезпечує взаємозв'язок усіх його пристроїв. Містить шину даних, шину адреси, шину керування та шину жив­лення, забезпечуючи три напрямки передачі інформації:

1) між МП й оперативною пам'яттю;

2) між МП і портами введення-виведення зовнішніх (відносно процесора та шини) пристроїв;

3) між основною пам'яттю і портами введення-виве­дення зовнішніх пристроїв (у режимі прямого доступу до пам'яті).

Рисунок 1.2. Структурна схема ПК

Усі блоки, а точніше "їхні порти введення-виведення, через відповідні уніфіковані рознімні з'єднання підключа­ються до шини безпосередньо або через пристрої сполу­чення — контролери (адаптери). У сучасних ПК керуван­ня шиною здійснюється контролером шини.

Основна пам'ять. Складається з ОЗП і ПЗП. ПЗП призначений для зберігання програми те­стування ПК, програми початкового його завантаження, базової системи введення-виведення (ВІО8). ОЗП слу­жить для оперативного запису, зберігання та зчитування інформації (програм і даних), безпосередньо бере участь в інформаційно-обчислювальному процесі, виконуваному ПК у поточний період часу. Головними достоїнствами ОЗП є його висока швидкодія і можливість звернення до кожного елемента пам'яті окремо (прямий адресний до­ступ до комірки). Але в ньому неможливо зберігати інформацію після вимкнення живлення ПК (енергозалежність). Ємність ОЗП сучасного ПК може становити 16, 32, 64, 128 Мбайт і більше.

Зовнішня пам'ять. її утворюють зовнішні (відносно МП та системної плати) пристрої ПК, використовується для довготривалого зберігання інформації. Зокрема, в зовнішній пам'яті зберігається все програмне забезпечен­ня комп'ютера. Вона містить різноманітні запам'ятовуючі пристрої. Найпоширеніші — НЖМД і НГМД, призначен­ня яких — зберігання великих обсягів інформації, запис і видача інформації за запитом в ОЗП. Різняться НЖМД та НГМД лише конструктивно, обсягом інформації, що зберігається, і часом пошуку, запису та зчитування її. Ємність сучасних НЖМД — від 2—4 до 40—75 Гбайт і більше (1 Гбайт = 10⁹ байт).

Як пристрої зовнішньої пам'яті застосовують також за­пам'ятовуючі пристрої на касетній магнітній стрічці (стри­мери), накопичувачі на оптичних дисках (компакт-диск із пам'яттю, що тільки читається) та ін.

Джерело живлення. Це блок, який містить системи ав­тономного й мережного енергоживлення ПК.

Таймер. Це внутрішній електронний годинник, що за­безпечує автоматичне зняття поточного моменту часу (рік, місяць, години, хвилини, секунди та частки секунд). Підключається до автономного джерела живлення — аку­мулятора і при вимкненні ПК продовжує працювати.

Зовнішні пристрої. Це найважливіша складова частина будь-якого обчислювального комплексу. Вартість їх іноді становить 50—80 % вартості всього ПК. Від їхніх складу та характеристик багато в чому залежать можливість й ефективність застосування ПК в системах управління і народному господарстві взагалі.

Зовнішні пристрої забезпечують взаємодію ПК з навколишнім середовищем: користувачами, об'єктами уп­равління та іншими ЕОМ. Вони дуже різноманітні і мо­жуть бути класифіковані за рядом ознак. Так, за призна­ченням можна виділити такі їхні види:

• зовнішні запам'ятовуючі пристрої (ЗЗП), або зовнішня пам'ять ПК;

• діалогові засоби користувача;

• пристрої введення інформації;

• пристрої виведення інформації;

• засоби зв'язку і телекомунікації.

Зовнішні запам'ятовуючі пристрої ПК — це ті самі за­пам'ятовуючі пристрої, але виконані як окремий конст­руктивний блок із, як правило, власним блоком живлен­ня. Часто вони мають велику ємність, іноді містять кілька накопичувачів в одному корпусі. ЗЗП допускають опера­тивне їх підключення до різних ПК (іноді одночасно). За наявності кількох ПК зручно мати один дорогий зовнішній пристрій для перезапису компакт-дисків, один-два пристрої для CD або магнітооптичних носіїв.

Діалогові засоби користувача — монітори, різноманітні пристрої введення та пристрої мовного введення-виве­дення інформації.

Монітор (дисплей) — пристрій для відображення інформації, що вводиться в ПК і виводиться з нього.

Пристрої мовного введення-виведення належать до за­собів мультимедіа. Пристрої мовного введення — це різні мікрофонні акустичні системи (наприклад «звукові миші») зі складним програмним забезпеченням, що дає змогу розпізнавати слова, ідентифікувати їх і видавати комп'ютеру відповідні команди або перетворювати мову на текст. Пристрої мовного виведення — це різні синте­затори звуку, які перетворюють цифрові коди на літери та слова, відтворювані через гучномовці (динаміки) або зву­кові колонки, приєднані до комп'ютера.

Пристрої введення інформації:

• клавіатура — пристрій для ручного введення число­вої, текстової і керуючої інформації в ПК;

• графічні планшети (діджитайзери) — пристрої для ручного введення графічної інформації, зображень переміщенням по планшету спеціального покажчика (пера) з одночасним автоматичним прочитуванням координат його місцезнаходження та введення цих координат у ПК;

• сканери (читаючі автомати) — пристрої для автома­тичного прочитування з паперових носіїв і введення в ПК машинописних текстів, графіків, малюнків, креслень;

• маніпулятори (пристрої вказівки — джойстик, миша, трекбол, світлове перо та ін.) — пристрої для введен­ня графічної інформації на екран монітора, керуван­ня рухом курсору по екрану з подальшим кодуван­ням координат курсору та введенням їх у ПК;

• сенсорні екрани — пристрої для введення окремих елементів зображення, програм або команд з поліек­рана дисплея у ПК.

Пристрої виведення інформації:

• принтери — друкувальні пристрої для реєстрації інформації на паперовому носію;

• графопобудовники (плотери) — пристрої для виведен­ня графічної інформації (графіків, креслень, ри­сунків) з ПК на паперовий носій. Бувають векторні з кресленням зображення за допомогою пера і рас­трові (термографічні, електростатичні, струминні та лазерні). За конструкцією поділяються на планшетні й барабанні. Основні характеристики плотерів при­близно однакові: швидкість креслення — 100— 1000 мм/с, у кращих моделей можливі кольорове зо­браження і передача півтонів; найбільшу роздільну здатність та чіткість зображення забезпечують ла­зерні плотери, але вони найдорожчі.

Пристрої зв'язку і телекомунікації використовують для зв'язку з приладами й іншими засобами автоматизації (інтерфейсні адаптери, цифро-аналогові та аналого-циф­рові перетворювачі тощо) і для підключення ПК до ка­налів зв'язку, інших ПК та комп'ютерних мереж (мережні інтерфейсні плати, модеми).

Зазначений на рис. 1.2 мережний адаптер є зовнішнім інтерфейсом ПК і служить для підключення його до ка­налу зв'язку з метою обміну інформацією з іншими ЕОМ, роботи в складі обчислювальної мережі. У глобальних ме­режах функції мережного адаптера виконує модем.

Багато з названих вище пристроїв належать до умовно виділеної групи — засобів мультимедіа.

Засоби мультимедіа (буквально: багатосередовищність). Це комплекс апаратних і програмних засобів, що дають змогу людині спілкуватися з комп'юте­ром, використовуючи найрізноманітніші, природні для се­бе середовища: звук, відео, графіку, тексти, анімацію та ін.

До них належать пристрої мовного введення і виве­дення інформації; сканери (дають змогу автоматично вво­дити в комп'ютер друковані тексти та малюнки); високо­якісні відео- і звукові плати та плати відеозахвату, що знімають зображення з відеомагнітофона або відеокамери і вводять його у ПК; високоякісні акустичні та відеовідтворювальні системи з підсилювача­ми, звуковими колонками, великими відеоекранами. До засобів мультимедіа відносять також запам'ятовуючі при­строї великої ємності на оптичних дисках, які використо­вують для запису аудіо- і відеоінформації.

Додаткові схеми. До системної шини та МП можуть бути підключені також деякі додаткові плати з інтеграль­ними мікросхемами, що розширюють і поліпшують її функціональні можливості: математичний співпроцесор, контролер прямого доступу до пам'яті, співпроцесор введення-виведення, контролер переривань та ін.

Плати розширення. Так називають електронні прист­рої, відсутні в первинній комплектації комп'ютера. їх за­стосовують для збільшення його потужності або розши­рення функціональних можливостей, хоча з точки зору конструкції контролери та плати розширення — часто од­не й те саме.

Математичний співпроцесор широко застосовується для прискореного виконання операцій над двійковими числами з рухомою комою і двійковокодованими десяте­ричними числами, а також для обчислення деяких трансцендентних, у тому числі тригонометричних, функцій. Ма­тематичний співпроцесор має свою систему команд і пра­цює паралельно (сумісно в часі) з основним МП, але під керуванням останнього. Прискорення операцій відбу­вається в. десятки разів. Останні моделі МП, починаючи з МП 486І)Х, мають у своїй структурі співпроцесор.

Контролер прямого доступу до пам'яті звільняє МП від прямого керування накопичувачами на магнітних дисках, що істотно підвищує ефективну швидкодію ПК. Без ньо­го обмін даними між ЗЗП та ОЗП здійснюється через регістри МП, а з ним цей обмін відбувається безпосеред­ньо, тобто минаючи МП.

Співпроцесор введення-виведення завдяки паралельній роботі з МП значно прискорює виконання процедур вве­дення-виведення інформації при обслуговуванні кількох зовнішніх пристроїв (дисплей, принтер, НЖМД, НГМД та ін.), звільняє МП від процедур введення-виведення, в тому числі реалізує режим прямого доступу до пам'яті.

Найважливішу роль відіграє в ПК контролер переривань. Переривання — це тимчасове припинення виконання однієї програми з метою оперативного виконання іншої, важливішої (пріоритетної) в певний момент програми. Пе­реривання виникають при роботі комп'ютера постійно. До речі, всі процедури введення-виведення інформації виконуються за перериваннями. Наприклад, переривання від таймера виникають й обслуговуються контролером переривань 18 разів за секунду (звичайно, користувач їх не помічає).

Контролер переривань обслуговує процедури перери­вання, приймає запит на них від зовнішніх пристроїв, ви­значає рівень пріоритету цього запиту і видає сигнал пере­ривання в МП, який, одержавши цей сигнал, припиняє виконання поточної програми, переходячи на виконання спеціальної програми обслуговування того переривання, яке запитало зовнішній пристрій. Після завершення про­грами обслуговування відновлюється виконання перерва­ної програми. Контролер переривань є програмованим.

Показана на рис. 1.2 структурна схема ПК є спроще­ною. Вона стосується першого та частково другого по­колінь ПК (РС, ХТ і перші машини класу АТ), відрізня­ючись від структурних схем сучасних ПК передусім ре­алізацією внутрімашинного системного інтерфейсу.

У застарілих ПК як системний інтерфейс застосовува­лася системна шина (це й відображено на рисунку). В су­часних обчислювальних системах використовують інші схеми. Сучасні ПК характеризуються:

• стрімким зростанням швидкодії процесорів (вже МП Pentium першого покоління теоретично може вида­вати дані зі швидкістю 528 Мбайт/с по 64-розрядній шині даних, і це всього при тактовій частості шини 66 МГц);

• зростанням швидкодії інших пристроїв (так, для відображення цифрового повноекранного відео пропускна здатність відеопідсистеми має становити 22 Мбайт/с);

• появою програм, що потребують виконання великої кількості інтерфейсних операцій (програми оброб­лення графіки ).

За цих умов пропускна здатність шини розширення, що обслуговує відносно повільні пристрої, неповною мірою узгоджується з роботою швидкодійного ЦП, опера­тивної та кеш-пам'яті. Розробники, пройшовши кілька етапів (шина І5А, ЕІ5А, локальна шина УЕ5А), реалізува­ли приблизно таку схему внутрімашинного інтерфейсу ПК, яку показано на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Схема реалізації внутрімашинного інтерфейсу сучасних ПК

Процесор, оперативна- і кеш-пам'ять сполучені між собою найшвидкодійнішою та найширшою шиною (66— 133 МГц, 64 біт). Саме цю ділянку ПК називають сист­емною шиною. Мікросхеми чіпсету надвеликої інтегральної схеми (НВІС) керування на системній платі виконують функції мостів між шинами з більшою і меншою пропускними здатностями. Окремо виділяється спеціальна шина АСР, призначена для підключення єдиного, але "найненаситнішого" споживача пропускної здатності шини — відеоадаптера.

Порядок виконання роботи

1. Уважно повторіть основні положення теоретичної частини.

2. Розгляньте апаратні засоби Вашого ПК. Повторіть означення та призначення складових частин апаратних засобів ПК.

3. Створіть у будь-якому відомому Вам текстовому редакторі тест по запропонованій Вам темі. Тест повинен містити 10 питань. До кожного питання введіть 4 відповіді, одна з яких правильна.

4. Продемонструйте викладачу результати виконаної роботи. Заповніть таблицю за зразком:

Покоління ЕОМ	Елементна база	Засоби діалогу «машина – людина»	Переваги	Недоліки

5. Підготуйте звіт відповідно встановленого зразку. Звіт повинен містити створені Вами тест та таблицю.

Контрольні запитання.

1. Відтворіть структурну схему ПК.

2. Сформулюйте принципи фон Неймана побудови електронних обчислювальних машин.

3. Чим арифметичні операції відрізняються від логічних?

4. Дайте означення комбінаційної схеми та цифрового автомата.

5. Перелічіть відомі Вам пристрої введення інформації.

6. Які види зовнішніх пристроїв Вам відомі?

7. Відтворіть схему реалізації внутрімашинного інтерфейсу сучасних ПК.

Тема:	Знаходження двійкових кодів.
Мета роботи: Зміст роботи: Організаційні та методичні вказівки:	Набуття практичних навичок переведення чисел з однієї системи числення в іншу. Ознайомлення з можливостями калькулятора «Інженерний» стандартного офісного пакету MW для переведення чисел у системи числення, що застосовують у ЕОМ. Повторення теоретичних відомостей про системи числення та застосування навичок переведення чисел з однієї системи числення в іншу. Застосування засобів Microsoft Windows для виконання переведення чисел у двійкову систему числення. Лабораторну роботу проводять після вивчення тем “Системи числення. Непозиційні і позиційні системи. Двійкова система числення. Знаходження двійкових кодів. Арифметичні операції в двійковій системі числення.” з підгрупою студентів в два етапи: 1. Підготовчий етап: Вивчення можливостей виконання операцій над числами засобами калькулятора «Інженерний» стандартного офісного пакету MW. Повторення алгоритмів переведення чисел з однієї системи числення в іншу. 2. Виконавчий етап: Виконання індивідуальних завдань. Перевірка правильності виконання дій засобами Microsoft Windows.
Технічне забезпечення:	Персональний комп’ютер, дискета.
Програмне забезпечення:	Windows 98/XP, Microsoft Excel.
Час:	80 хвилин.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2.

Теоретична частина