Принципы работы компьютера. (В общих чертах).

Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа. (Программа - заранее заданная, четко определенная последовательность арифметических, логических и других операций). Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая команда (команда-описание элементарной операции, которую должна выполнять ЭВМ) программы, и организует её выполнение. После выполнения одной команды устройство управления начинает выполнять команду из ячейки памяти, которая находится, непосредственно, за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления. Эти команды указывают устройству управления, что ему следует продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в некоторой другой ячейке памяти. Такой «скачок» в программе может выполняться не всегда, а только при выполнении некоторых условий. Это позволяет организовать циклы и сложные программы.

Т.о., УУ выполняет команды программы автоматически, т.е. без вмешательства человека. Оно может обмениваться информацией с оперативной памятью и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства работают значительно медленнее, или остальные части компьютера, то УУ может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода-вывода с внешним устройством.

Схема устройства современных компьютеров такова: АЛУ и УУ, как правило, объединены в единое устройство - центральный процессор. Большинство современных компьютеров в основных чертах соответствуют признакам, изложенным фон Нейманом.

Архитектура ЭВМ.

Архитектурой ЭВМ называется её логическая организация, структура и ресурсы, которые может использовать программист.

Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов ЭВМ: центрального процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Наиболее распространены следующие архитектурные решения:

1) Классическая архитектура (фон Неймана) или однопроцессорная ЭВМ.

2) Многопроцессорная архитектура. Наличие в ЭВМ нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи.

3) Многомашинная вычислительная система. Несколько процессоров не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную).

4) Архитектура с параллельным процессором.Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе.

Персональный компьютер.

Основные блоки ПК

В августе 1981 года IBM выпустила компьютерную систему IBM PC Фирма IBM сделала компьютер не единым неразъемным устройством, а обеспечила возможность его сборки из независимо изготовленных частей аналогично детскому конструктору. Этот принцип, называемый принципом открытой архитектуры, наряду с другими достоинствами обеспечил потрясающий успех компьютеру IBM PC.

Как же устроен этот «конструктор»? На основной электронной плате компьютера (системной или материнской) размещены только те блоки, которые осуществляют обработку информации (вычисления). Схемы, управляющие всеми остальными устройствами компьютера – монитором, дисками, принтером и т.д. реализованы на отдельных платах, которые вставляются в стандартные разъемы на системной плате – слоты. К этим электронным схемам подводится электропитание из единого блока питания, а для удобства и надежности все это заключается в общий металлический или пластмассовый корпус – системный блок.

Обычно персональные компьютеры состоят из 3-х частей:

1) системный блок;

2) монитор (дисплей);

3) клавиатура, мышь.

Системный блок - главный. В нем располагаются все узлы компьютера:

1) материнская плата,

2) микропроцессор,

3) оперативная память,

4) контроллеры устройств,

5) блок питания,

6) жесткий диск (винчестер),

7) дисководы,

8) звуковая карта,

9) видеокарта,

10)дополнительные устройства.

Дополнительные устройстварасширяют функциональные возможности компьютера. Они могут быть внешними или внутренними.

Внешние устройства располагаются вне системного блока и подсоединяются к нему через специальные разъемы, находящиеся обычно на задней стенке системного блока. Кроме монитора и клавиатуры, такими устройствами являются: принтер, мышь, джойстик, сканер, модем, колонки и т.д.

Внутренние устройства вставляются внутрь системного блока. К ним относятся: модем, дисководы, сетевая карта, тв-тюнер и т.д.

Котроллеры устройств.Каждое внутреннее устройство имеет контроллер (от английского слова controller – устройство управления). Это электронная плата, управляющая работой устройства, а само устройство подсоединяется к этой плате кабелем.

Микропроцессор

Самым главным элементом в компьютере, его «мозгом», является микропроцессор (МП). Физически МП представляет собой интегральную схему - тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. В МП выполняются все вычисления и обработка информации. Скорость работы МП во многом определяет быстродействие компьютера.

МП отличаются друг от друга двумя характеристиками: типом (моделью) и тактовой частотой. Пример моделей: фирма Intel[1] - 8088, 80286, 80386, 80486, Pentium, Core i7-4790 и т.д.; фирма AMD[2] A10-6700.

Тактовая частотауказывает, сколько элементарных операций (тактов) МП выполняет в 1 сек. Измеряется в ГГц (гигогерцы). Чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена МП.

Память

Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов – битов, объединенных в группы по 8 битов, которые называются байтами. Все байты пронумерованы Номер байта называют его адресом.

Байты могут объединяться в ячейки, которые часто называются также словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова – два, четыре, или 8 байтов.

Различают два основных вида памяти – внутреннюю и внешнюю.

В состав внутренней памяти входят: оперативная память, кэш-память, специальная память.

Оперативная память (Random Access Memory (RAM) - память с произвольным доступом; ОЗУ) — энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой во время работы компьютера хранится выполняемый машинный код (программы), а также входные, выходные и промежуточные данные, обрабатываемые процессором. Содержащиеся в современной полупроводниковой оперативной памяти данные доступны и сохраняются только тогда, когда на модули памяти подаётся напряжение. Выключение питания оперативной памяти, даже кратковременное, приводит к искажению либо полному разрушению хранимой информации. В этом смысле, это память временного хранения данных и программ.

Сейчас применяются три основных вида ОЗУ:

· статическое (SRAM) память в виде массивов триггеров;

· динамическое (DRAM) память в виде массивов конденсаторов;

· основанном на изменении фазы (PRAM)

В SRAM бит данных хранится в виде состояния триггера[3]. Этот вид памяти является более дорогим в расчёте на хранение 1 бита, но, как правило, имеет наименьшее время доступа и меньшее энергопотребление чем DRAM.

DRAM хранит бит данных в виде заряда конденсатора. Однобитовая ячейка памяти содержит конденсатор и транзистор. Конденсатор заряжается до более высокого или низкого напряжения (логические 1 или 0). Транзистор выполняет роль ключа, подключающего конденсатор к схеме управления, расположенного на том же чипе. Схема управления позволяет считывать состояние заряда конденсатора или изменять его. Так как хранение 1 бита информации в этом виде памяти дешевле, чем в SRAM, сейчас преобладает в компьютерах.

Кэш – память.Для ускорения доступа к оперативной памяти на быстродействующих компьютерах используется специальная сверхбыстродействующая кэш-память, которая располагается как бы «между» МП и ОЗУ и хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. При обращении МП к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые МП данные уже содержаться в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается.

Специальная память

К устройствам специальной памяти относятся постоянная память (ROM), перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory), память CMOS RAM, питаемая от батарейки, видеопамять и некоторые другие виды памяти.

Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory — память только для чтения) — энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом "зашивается" в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.

Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) — энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого с дискеты.

Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.

Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти — модуль BIOS. Роль BIOS двоякая: с одной стороны это неотъемлемый элемент аппаратуры, а с другой строны — важный модуль любой операционной системы.

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 ЗУ — CMOS RAM.

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.

Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS (англ. Set-up — устанавливать, читается "сетап").

Для хранения графической информации используется видеопамять.

Видеопамять (VRAM) — разновидность оперативного ЗУ, 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.

Лекция № 5

ВНЕШНИЕ НОСИТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения программ и данных, и целостность её содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер. В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором. Информация от ВЗУ к процессору и наоборот циркулирует примерно по следующей цепочке:

Принципы работы компьютера. (В общих чертах). - student2.ru