Принципы программного управления обработкой информации и структура современных ПК

Отличительным свойством вычислительных машин по сравнению с простейшими вычислительными средствами является автоматическое преобразование информации под управлением программы, хранимой в памяти машины. Несмотря на большое разнообразие существующих в настоящее время ЭВМ, в основу их построения заложены некоторые общие принципы. Эти принципы были сформулированы в 40-х годах прошлого столетия выдающимся американским математиком Джоном фон Нейманом.

Первый принцип фон Неймана - принцип произвольного доступа к оперативной памяти. Суть этого принципа в том, что в любой момент времени любая произвольная ячейка памяти должна быть доступна, причем время доступа (время чтения и записи информации) должно быть одинаковым для всех ячеек.

Второй фундаментальный принцип фон Неймана - принцип хра­нимой программы. Программа решения задачи хранится в оперативной памяти наряду с обрабатываемыми данными. Именно это делает ЭВМ универсальным средством обработки информации.

С учетом изложенных принципов универсальная ЭВМ должна вклю­чать в себя следующие устройства:

• арифметико-логическое (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции;

• устройство управления (УУ), которое управляет процессом вы­полнения программ;

• запоминающее устройство (память), в котором хранятся програм­мы и данные;

• внешние устройства для ввода и вывода данных.

Эти устройства должны быть связаны между собой, как показано на рис. 1.1, где сплошные стрелки показывают управляющие, а контурные -информационные связи.

В современных компьютерах арифметико-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединяются в одно устройство, называемое центральным процессором.

Классическая неймановская структура построения ЭВМ за последнее время претерпела существенные изменения. Это связано с постоянным! обновлением элементной базы и совершенствованием технологии изготов­ления ЭВМ.

Рис. 1.1. Функциональная схема универсальной ЭВМ

Типовая структура современного персонального компьютера изо­бражена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Структура персонального компьютера

Внешний вид персонального компьютера в стандартной комплекта­ции показан на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Внешний вид персонального компьютера

Принципы построения и технические

Характеристики устройств ПК

Основные устройства

Центральный процессор (микропроцессор) - главный элемент компьютера. Он осуществляет вычисления по хранящейся в оперативной памяти программе и обеспечивает общее управление компьютером. Микропроцессор, как минимум, содержит арифметико-логическое устройство, предназначенное для выполнения арифметических и логических операций, и устройство управления, обеспечивающее общее управление вычислительным процессом и координацию работы всех устройств компьютера.

Реальная архитектура современных процессоров достаточно сложна, т.к. в их состав входит много дополнительных устройств, обеспечивающих более эффективное управление и, в конечном итоге, большую производительность.

Микропроцессор выполняет практически всю обработку данных, по­этому от его характеристик в значительной мере зависит общая произво­дительность компьютера.

Основным производителем процессоров для персональных компьютеров является фирма Intel, но существуют и другие, не менее известные фирмы. Прежде всего, это Advanced Micro Devices (AMD), Cyrix и IBM.

Основной параметр процессора, сильнее всего влияющий на его про­изводительность (кроме разрядности), - так называемая тактовая частота. Она измеряется в мегагерцах (8, 16, 66, 100, 166, 200, 233, 300 и более МГц), и чем она выше, тем выше производительность процессора. Однако, благо­даря различиям в архитектуре, процессоры даже с одинаковой тактовой частотой, но изготовленные разными фирмами, могут обладать различной производительностью.

Для ускорения арифметических вычислений в ПК часто использует­ся специальный арифметический сопроцессор. Это еще один процессор, который устанавливается на основной плате рядом с центральным процессором или входит в состав центрального процессора.

Для хранения выполняемых программ и данных, непосредственно участвующих в операциях, служит запоминающее устройство, напрямую связанное с процессором - т.н. основная память (ОП). Оно имеет достаточно высокое быстродействие, но ограниченный объем. Основная память включает в себя различные устройства, основными из которых являются оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Кроме того, в состав основной памяти современных компьютеров входит т.н. кэш-память, ускоряющая обмен данными между процессором и ОЗУ.

ОЗУ является основным типом внутренней памяти компьютера, размещается на системной плате и реализовано в виде съемных модулей. В нем содержатся программы и данные, доступные для использования процессором, а также промежуточные и окончательные результаты вычислений. ОЗУ является энергозависимым устройством, что означает исчезновение информации при отключении питания. Однако может использоваться и энергонезависимая память на новых физических принципах.

Объем оперативной памяти сильно влияет на производительность компьютера. Обычно память устанавливается в компьютер модулями, собранными из определенного количества микросхем. Существующие сегодня модули оперативной памяти имеют емкость 4 Мбайт, 8 Мбайт, 16 Мбайт, 32 Мбайта, 64 Мбайта, 128 Мбайт, 256 Мбайт, 512 Мбайт.

ПЗУ является особым типом внутренней памяти, содержимое кото­рого не изменяется на протяжении эксплуатации компьютера. В микро­схемах ПЗУ хранятся системные программы и данные, связанные с «жиз­необеспечением» компьютера: программы самотестирования, обработчики прерываний BIOS, драйверы периферийных устройств, таблица образов символов ASCII и др.

Кэш-память имеет намного меньший объем, чем ОЗУ, но обладает лучшим быстродействием. Она используется в качестве быстрого проме­жуточного буфера для согласования скоростей работы процессора и оперативной памяти. Согласование состоит в том, что кэш заполняется данными до того, как эти данные потребуются процессору. При этом кэш-память освобождает процессор от прямого общения с более медленной оперативной памятью. Кэш размещается на системной плате в виде микросхем статической памяти, обладающих гораздо лучшим быстродей­ствием, чем микросхемы динамической памяти ОЗУ.

Еще раз подчеркнем, что микропроцессор в своей работе использует только информацию, хранящуюся в основной памяти. Если же программы и/или данные находятся в другом устройстве, то они должны быть предвари­тельно размещены в основной памяти.

Периферийные устройства

Любое устройство, отделенное от микропроцессора и основной памяти и имеющее собственное управление, называется периферийным. По функцио­нальному признаку периферийные устройства делятся на две основные группы:

• внешние запоминающие устройства (ВЗУ), служащие дополни­тельным энергонезависимым, более медленным, но и более емким полем памяти машины для долговременного хранения программ и данных;

• устройства ввода - вывода (УВВ), обеспечивающие общение поль­зователя с компьютером.

В качестве ВЗУ обычно используются накопители на магнитных дисках (НМД) - как гибких, так и жестких, накопители на магнитных лентах (НМЛ), а также накопители на оптических дисках (НОД).

Набор УВВ существенно богаче: дисплеи, клавиатуры, манипулято­ры (типа "мышь", типа "шар" и джойстики), печатающие устройства (принтеры), устройства ввода и вывода графической информации и др. Этот список можно продолжить вплоть до синтезаторов речи и даже устройств ввода речевой информации.

В зависимости от назначения периферийные устройства относят к основным или дополнительным. Без основных периферийных устройств работа, как правило, становится невозможной. К основным периферийным устройствам относятся монитор, клавиатура и, как минимум, один накопи­тель информации. Основные периферийные устройства подключаются к системной шине не непосредственно, а через адаптеры или контроллеры соответствующих устройств. Адаптер выполняет две основные функции:

1) осуществляет непосредственное управление периферийным уст­ройством по запросам от микропроцессора, освобождая тем са­мым микропроцессор от выполнения рутинных операций;

2) обеспечивает согласование интерфейса периферийного устройст­ва с системной шиной.

Внешняя память используется для долговременного хранения про­грамм и данных с помощью дополнительных устройств памяти. Наиболь­шее распространение получили устройства, называемые накопителями на магнитных дисках (НМД). Любой ПК содержит, как минимум, один накопитель на гибких магнитных дисках (НГМД) и накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД). НГМД является устройством со сменным носителем информации, разработанным фирмой IBM. Первый гибкий диск (дискета) имел диаметр 8 дюймов (203 мм). Позже появились дискеты диаметром 5,25 дюйма и 3,5 дюйма. Фирма Sony уже выпустила дискеты диаметром 51 мм для портативных ПК. Независимо от формата конструк­тивно дискета представляет собой пластмассовый диск с магнитным покрытием, помещенный в специальный футляр. Информация на магнит­ном диске размещается вдоль концентрических окружностей, называемых дорожками. Участок дорожки, хранящий минимальную порцию информа­ции, которая может быть считана с диска или записана на него, называют сектором. Для гибких магнитных дисков емкость сектора обычно состав­ляет 512 байт. Количество информации, которое можно хранить на диске­тах (емкость дискеты), изменяется в зависимости от параметров дискеты и плотности записи информации. Наиболее распространенные сегодня дискеты диаметром 3,5 дюйма имеют емкость 1,44 Мбайт.

Для работы с дискетами необходимо специальное устройство, назы­ваемое дисководом (Floppy Disk Drive, FDD).

НЖМД (Hard Disk Drive, HDD) впервые применены фирмой IBM в 1973 г. и существенно превосходят НГМД, как по емкости, так и по быстродействию. Магнитный диск, система позиционирования и блок магнитных головок помещены в герметично закрытый корпус. В отличие от дискет, диск сделан из жесткого материала (чаще всего - алюминия). Диаметр дисков обычно составляет 133 или 89 мм, причем в один НЖМД устанавливаются от 2 до 8 дисков. НЖМД с несъемным носителем инфор­мации часто называют винчестером. Емкость современных винчестеров на протяжении последних нескольких лет увеличивалась ежегодно более чем в полтора раза и сегодня колеблется в пределах от 10 до 120 Гбайт.

Все накопители подключаются к ПК с помощью специальных устройств, называемых дисковыми контролерами. Они могут быть разных типов. Чаще всего используются контроллеры в стандартах IDE и SCSI. Эти стандарты отличаются способом подключения к НМД, системой команд и пропускной способностью.

К периферийным устройствам относятся также устройства ввода и вывода информации.

Часто ПК поставляется с единственным устройством ввода - клавиатурой, относящейся к основным периферийным устройствам. Она представляет собой матрицу клавиш, объединенных в единое целое, и электронный блок для преобразования нажатия клавиши в двоичный код.

Любая клавиатура имеет четыре группы клавиш:

1) пишущей машинки для ввода прописных и строчных букв, цифр и специальных знаков;

2) служебные, изменяющие результат нажатия остальных клавиш;

3) функциональные (программируемые), результат нажатия, которых зависит от используемого программного продукта;

4) двухрежимной малой цифровой клавиатуры, обеспечивающие быстрый и удобный ввод цифровой информации, а также управление курсором и переключение режимов работы клавиатуры.

Кроме клавиатуры может быть использован манипулятор типа «мышь» (mouse), который представляет собой приспособ­ление для указания нужных точек на экране путем перемещения его вручную по плоской поверхности.

Монитором называют устройство отображения текстовой и графи­ческой информации без ее долговременной фиксации. Монитор является основным периферийным устройством ПК и служит как для отображения информации, вводимой посредством устройств ввода, так и для выдачи пользователю сообщений, а также для вывода полученных в ходе выпол­нения программ результатов. Монитор состоит из двух основных частей -экрана и электронного блока, размещенных в одном корпусе. Подключает­ся монитор к ПК через видеоадаптер (видеоконтроллер).

Часто вместо термина «монитор» употребляют термины «дисплей». В дальнейшем мы будем употреблять еще один термин – «консоль». В ПК стандартной консолью является совокупность монитора и клавиатуры.

Одна из основных характеристик видеомонитора - его разрешающая способность. Цветное изображение на экране видеомонитора состоит из отдельных цветных точек. Каждая цветная точка, в свою очередь, состоит из трех маленьких точек, имеющих основные цвета. Чем меньше расстоя­ние между цветными точками, тем выше качество изображения и стои­мость видеомонитора. Иногда это расстояние называют «зерном». Для современных моделей видеомониторов размеры «зерна» обычно составляют от 0,28 до 0,24 мм.

Используется несколько режимов работы с разной разрешающей способностью, т.е. с разным количеством точек в изображении. Обычно в современных ПК, работающих под управлением операционной системы Microsoft Windows, используется три режима. В первом режиме изображе­ние на экране видеомонитора состоит из 640 точек по горизонтали и 480 точек по вертикали, т.е. в режиме 640 х 480 точек (все точки цветные). Этот режим соответствует разработанному фирмой IBM стандарту VGA. Режим с более высокой разрешающей способностью - 800х600 точек - соответствует стандарту SVGA, который является дальнейшим развитием стандарта VGA. Для дорогих видеомониторов с большим размером экрана и высокой четкостью изображения иногда используются режимы с еще большим разрешением - 1024 х 768, 1200 х 1024 и т.д. Чем выше разрешающая способность, тем больше информации может поместиться на экране. Для простых задач подготовки текстовых документов можно использовать экран с разрешением 640 х 480. Если же работа более серьез­ная, требуется более высокое разрешение.

Еще одна характеристика видеомонитора, на которую следует обратить внимание - частота смены кадров, или частота кадровой развертки. Чем она выше, тем меньше утомляемость глаз. Для хороших мониторов эта частота должна быть порядка 85 Гц или выше.

Печатающие устройства (принтеры) предназначены для вывода алфавитно-цифровой (текстовой) и графической информации на бумагу или подобный ей носитель.

Клавиатура

Клавиатура IBM PC (рис. 1.4.) предназначена для ввода в компьютер инфор­мации от пользователя. На рисунке показана модель клавиатуры для IBM PC AT, для других моделей компьютера расположение и число клавиш на клавиатуре может несколько отличаться, но назначение одинаковых клавиш на разных клавиатурах, разумеется, совпадает. На компьютерах типа IBM PC XT, например, функциональных клавиш не 12, а 10 ([F1]-[F10]), и расположены они не в верхнем ряду клавиатуры, а слева. На персональных компьютерах советского производства надписи на клавишах могут быть сделаны по-русски. Кроме того, у персональных компьютеров советского производства на клавиатуре иногда имеются клавиши [рус] и [лат] для переключения с русского шрифта на латинский и обратно.

Расположение латинских букв на клавиатуре IBM PC, как правило, такое же, как на английской пишущей машинке, а букв кириллицы — как на русской пишущей машинке.

В дальнейшем изложении мы будем для обозначения клавиш употреблять надпись на клавише стандартной клавиатуры, заключенную в рамку. Например, [Shift] обозначает клавишу с надписью «Shift».

Ввод прописных и строчных букв. Для ввода прописных букв и других символов, располагающихся на верхнем регистре клавиатуры, имеется клавиша [Shift]. Например, чтобы ввести строчную букву «d», надо нажать клавишу, на которой изображено «D», а чтобы ввести прописную букву «D», надо нажать клавишу [Shift] и, не отпуская ее, нажать на клавишу «D».

Клавиша [Caps Lock] служит для фиксации режима прописных букв. Это удобно при вводе текста, состоящего из таких букв. Повторное нажатие клавиши [Caps Lock] отменяет режим прописных букв. В режиме [Caps Lock] нажатие клавиши [Shift] дает возможность ввода строчных букв. Иногда клавиша [Caps Lock] используется для других целей, на­пример для переключения на русский алфавит.

Рис. 1.4. Внешний вид клавиатуры персонального компьютера

Переключение на другой алфавит. Переключение клавиатуры с режима ввода латинских букв на режим ввода русских букв на не­которых персональных компьютерах советского производства осущест­вляется с помощью клавиш [РУС] и [ЛАТ] На компьютерах зарубежного производства это переключение выполняется специальной программой — драйвером клавиатуры. Эта программа, как правило, запускается в начале работы с компьютером и затем она постоянно находится в опе­ративной памяти компьютера. Функции этой программы — восприни­мать нажатия клавиш на клавиатуре и передавать соответствующие символы операционной системе DOS. После нажатия определенной комбинации клавиш драйвер клавиатуры начинает передавать в компь­ютер символы другого алфавита. Одни драйверы используют для пере­ключения на другой алфавит клавишу [Caps Lock], другие — нажатие клавиши [Ctrl], бывают и другие способы переключения.

Специальные клавиши клавиатуры. Кроме алфавитно-цифровых клавиш и клавиш со знаками пунктуации, на клавиатуре имеется боль­шое число специальных клавиш.

Клавиша [Enter] (на некоторых клавиатурах — [Return] или [CR], предназначена для окончания ввода строки. Например, при вводе ко­манд DOS ввод каждой команды должен оканчиваться нажатием кла­виши [Enter].

Клавиша [Backspace] или «Забой» (стрелка влево над клавишей [Enter]) удаляет символ, находящийся слева от курсора (курсор обычно изображается мигающим символом, похожим на знак подчеркивания).

Клавиша [Del] (Delete — удаление) используется для удаления символа, находящегося над курсором.

Клавиша [Ins] (Insert — вставка) предназначена для переключения между двумя режимами ввода символов, ввода с раздвижкой символов (вставка) и ввода с замещением ранее набранных символов (замена).

Клавиши [Ü], [Þ], [Ý], [ß], [Home], [End], [PgUp], [PgDn] называют кла­вишами управления курсором. Как правило, нажатие на них приводит к перемещению курсора в соответствующем направлении или к «пере­листыванию» изображаемого на экране текста.

Клавиша [NumLock] (блокировка цифр) включает и выключает ре­жим, в котором при нажатии на клавиши [Ü], [Þ], [Ý], [ß], [Home], [End], [PgUp], [PgDn], [Ins] и [Del], расположенные в правой части клавиа­туры, в компьютер вводятся цифры 1-9, 0 и точка. Этот режим удобен для ввода чисел.

Клавиша [Esc] (escape — убегать, спасаться), как правило, используется для отмены какого-либо действия, выхода из режима программы и т д.

Клавиша [Tab] (табуляция) при редактировании текстов обычно используется для перехода к следующей позиции табуляции. В других программах ее значение может быть иным переключение между «окошками» на экране, полями запроса и т.д.

Функциональные клавиши [F1]-[F12] (на некоторых клавиатурах [F1]-[F10]) предназначены для различных специальных действий. Их действие определяется выполняемой программой.

Клавиши [Ctrl] и [Alt]. На клавиатуре имеются специальные клавиши [Ctrl] и [Alt]. Как и клавиша [Shift], они предназначены для из­менения значений других клавиш. Клавиши [Ctrl] и [Alt] вводятся в комбинации с другими клавишами, и выполняющаяся программа мо­жет особым образом реагировать на такие комбинации клавиш.

Например, в описании программы может быть записано, что для вы­полнения определенного действия следует ввести (или нажать) [Alt] [T]. Это означает, что пользователь должен нажать клавишу [Alt] и, не отпуская ее, нажать на клавишу [T].

Особые комбинации клавиш. Имеются комбинации клавиш, об­рабатываемые специальным образом

[Ctrl] [Break] — завершение работы выполняемой программы или команды.

[Сrtl] [Alt] [Del] (одновременное нажатие клавиш [Ctrl], [Alt] и [Del]) — перезагрузка DOS .

[PrtScr] — печать на принтере копии содержимого экрана.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1