План лекции. № п/п Учебные вопросы время мин. 1. 2. 3. Вводная часть основная часть 1. Общая Структура и

№ п/п	Учебные вопросы	Время мин.
1. 2.     3.	ВВОДНАЯ ЧАСТЬ ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 1. Общая структура и принципы работы ЭВМ. 2. Принципы компьютерного моделирования. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Материальное обеспечение:

1. Компьютерный комплекс.

2. Программное обеспечение: демонстрационная программа "Микропроцессоры"

3. Плакат "Структура микропроцессора".

Литература:

1. Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы.- М.Горячая линия – Телеком, 2000г., с.192-196.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

При рассмотрении общих сведений о микропроцессорах было отмечено, что один микропроцессор не может решать задачи по обработке информации. Для выполнения подобных задач обычно создается микропроцессорная система, которая представляет собой набор модулей, способных решить, поставленную перед ними задачу. Одно из наиболее распространенных и хорошо известных применений универсальной микропроцессорной системы является создание вычислительных систем. Под вычислительной системой понимают совокупность устройств, предназначенных для автоматизированной обработки данных. Центральным устройством большинства вычислительных систем является компьютер. Более детальное рассмотрение компьютера является целью данной лекции.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Компьютером называют электронное устройство, предназначенное для автоматизации создания, хранения, обработки и транспортировки данных. Оборудование, входящее в состав компьютера, называют его конфигурацией. Конфигурацию компьютера можно гибко изменять по мере необходимости. Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации. Базовая конфигурация предполагает наличие следующих устройств:

1. Системный блок.

2. Монитор.

3. Клавиатура.

4. Мышь.

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему, называют внешними или периферийными.

В системном блоке находятся:

а) материнская плата;

б) жесткий диск;

в) дисковод гибких дисков;

г) дисковод компакт – дисков;

д) блок питания.

На материнской плате установлены:

Процессор – основная микросхема, выполняющая математические и логические операции.

Оперативная память (ОЗУ) – набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), - набор микросхем, предназначенных для хранения программ запуска, тестирования и пр.

Слоты - разъемы для подключения дополнительных устройств.

С учетом этих основных узлов упрощенная структурная схема компьютера как вычислительной микропроцессорной системы может быть представлена так, как показано на рис. 1.

Основным элементом схемы является процессор. В настоящее время можно встретить компьютеры с различными типами процессоров. Современные компьютеры оснащаются процессорами типа Intel Pentium, AMD, Cyrix и др. все эти процессоры относятся к так называемому семейству х86. Родоначальником этого семейства был 16-разрядный процессор Intel 8086 (К1810ВМ86). Основными параметрами современного процессора являются: рабочее напряжение, разрядность, тактовая частота и размер кэш-памяти. Ранние модели процессоров имели рабочее напряжение 5 В. В процессорах типа Pentium оно понижено до 3,3 В, причем ядро процессора питается пониженным напряжением 2,2 В. Понижение питающего напряжения позволяет снизить тепловыделение в процессоре, а это повышает его производительность без угрозы перегрева.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать за один такт. Первые процессоры были 16-разрядными. Современные процессоры 32-разрядные, хотя некоторые имеют 64-разрядную шину данных, но разрядность процессора определяется не разрядностью шины данных.

Работа процессора синхронизируется последовательностью импульсов от тактового генератора, расположенного на материнской плате. Очевидно, что чем выше частота тактового генератора, тем выше производительность процессора. Первые процессоры работали с частотой порядка 5 МГц. Современные процессоры имеют тактовую частоту 1000 МГц и выше. Однако материнская плата не может работать на таких частотах, как процессор. Предел для материнской платы составляет сотни МГц. На этих частотах и работает тактовый генератор. Для получения более высоких частот происходит внутреннее умножение частоты в процессоре на коэффициент 4, 5 и более.

Поскольку обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем с другими устройствами, например, с ОЗУ, то для повышения производительности процессора уменьшают количество его обращений к ОЗУ. С этой целью создают внутри процессора буферную память или так называемую кэш-память. При выполнении программы в кэш память заносится определенная часть программы. Процессор по мере выполнения команд обращается, прежде всего, в кэш-память и считывает команды и данные из этой сверхоперативной памяти. Чтобы число удачных обращений было больше, пытаются увеличить размер кэш-памяти, распределяя ее по уровням. Кэш первого уровня выполняется в том же кристалле, что и сам процессор и имеет объем порядка десятка Кбайт. Кэш второго уровня обычно располагается на другом кристалле, который встраивается а процессор. Кэш первого и второго уровней работают с частотой процессора. Кэш-память третьего уровня изготовляется на отдельном кристалле, который устанавливается на материнской плате вблизи процессора. Объемы этой памяти могут измеряться единицами Мбайт, но работает она на частоте материнской платы.

Оперативное запоминающее устройство строится на микросхемах динамической памяти и является основной памятью компьютера. Память состоит из отдельных 8-разрядных ячеек. Каждая ячейка имеет свой номер или адрес. В современных компьютерах для обращения к памяти используется 32-разрядная шина адреса. Таким образом, в компьютерах может быть 2³² = 4294967296 ячеек памяти (4,3 Гбайт). Однако в каждом компьютере предельный объем памяти определяется особенностями материнской платы и обычно составляет сотни Мбайт. Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках, называемых модулями. Модули ОЗУ вставляются в соответствующие разъемы на материнской плате. Основными характеристиками современных модулей (DIMM-модулей) являются объем памяти и время доступа. DIMM-модули обычно имеют объем 16, 32, 64, 128 Мбайт и более, а время доступа – 7-10 нс.

В момент включения компьютера в его ОЗУ ничего нет. Поэтому сразу после включения на шине адреса с помощью аппаратных средств выставляется стартовый адрес. Этот адрес располагается в постоянном запоминающем устройстве, где находится комплект программ базовой системы ввода-вывода BIOC. Основное назначение программ этого пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютера и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков. Программы, входящие в BIOC, позволяют наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера. Однако программы BIOC не могут знать состава и параметров всех устройств, входящих в компьютерную систему. Для того, чтобы начать работу с оборудованием, программы должны знать, где можно найти нужные параметры. Для этой цели на материнской плате есть микросхема CMOS. От ОЗУ она отличается тем, что ее содержимое не стирается при выключении питания, а от ПЗУ она отличается тем, что данные в нее можно заносить и изменять по мере замены оборудования. Эта микросхема постоянно подпитывается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. Таким образом, программы, записанные в BIOC, считывают данные о составе оборудования из микросхемы CMOS, после чего они обращаются к жесткому диску и передают управление тем программам, которые там записаны.

Компьютер базовой конфигурации имеет минимальное количество внешних устройств. Однако всегда имеется возможность создать компьютер любой конфигурации. С этой целью на материнской плате располагают разъемы – слоты, к которым с помощью специальных контроллеров могут подключаться периферийные устройства:

-устройства ввода данных (специальные клавиатуры и манипуляторы, сканеры, цифровые фото и видеокамеры):

-устройства вывода данных (принтеры);

-устройства хранения данных (стримеры, разнообразные накопители);

-устройство обмена данными (модем).

Монитором называют устройство для визуального представления данных. Это одно из основных устройств вывода. Его основными параметрами являются размер экрана и частота регенерации изображения. Размер монитора измеряется по диагонали кинескопа. В настоящее время наиболее распространенными являются мониторы размером 15 и 17 дюймов. Изображение на экране монитора получается в результате облучения люминофорного покрытия остронаправленным пучком электронов. Частота регенерации (обновления) изображения показывает, сколько раз в течение секунды монитор может сменить изображение. Минимально допустимым в настоящее время считают значение 75 Гц, нормативным – 85 Гц и комфортным – 100 Гц и более. В первых компьютерах в ОЗУ выделялась специальная область памяти для монитора, в которую процессор заносил данные об изображении. Специальный контроллер считывал данные об яркости отдельных точек экрана из ячеек памяти и формировал изображение. С переходом от черно-белых мониторов к цветным и увеличением разрешения экрана область памяти монитора сильно возросла, а процессор перестал успевать справляться с построением и регенерацией изображения. Тогда все функции связанные с управлением экраном были переданы специальному устройству, получившему название видеоадаптер. Видеоадаптер выполнен в виде отдельной платы, которая вставляется в один из слотов материнской платы и называется видеокартой. Видеокарта имеет свой процессор для обработки изображений и память объемом до 16 Мбайт и более. В современных компьютерах монитор подключается к разъемам видеокарты.

Клавиатура – клавишное устройство управления компьютером. Служит для ввода алфавитно – цифровых знаков, а также команд управления. Стандартная клавиатура имеет более 100 клавиш. Принцип действия клавиатуры заключается в следующем:

1. При нажатии на клавишу специальная микросхема, встроенная в клавиатуру формирует так называемый скан-код.

2. Скан-код поступает в порт клавиатуры и записывается там в один из регистров.

3. Порт клавиатуры сообщает о получении кодовой комбинации процессору, который прекращает выполнение текущей программы и вызывает из ПЗУ программу обслуживания работы клавиатуры.

4. Эта программа по скан-коду определяет код символа и отправляет его в ОЗУ, где выделена специальная область памяти для клавиатуры.

5. После этого процессор переходит к выполнению прерванной программы, а введенный символ хранится в ОЗУ до тех пор, пока его не заберет оттуда та программа, для которой он предназначался.

Мышь является устройством управления манипуляторного типа и представляет собой плоскую коробочку с тремя кнопами. Компьютером управляют перемещением мыши по плоскости и кратковременными нажатиями кнопок (щелчками). Перемещение мыши синхронизировано с перемещением специального указателя на экране монитора. Монитор и мышь обеспечивают очень удобный способ управления компьютером, который еще называют графическим. Пользователь наблюдает на экране графические объекты и элементы управления. С помощью мыши он изменяет свойства объектов и приводит в действие элементы управления компьютером, а с помощью монитора получает на экране отклик в графическом виде.

Жесткий диск является основным устройством для долговременного хранения больших объемов данных и программ. Поверхности жестких дисков имеют магнитное покрытие. С помощью магнитной головки осуществляется запись и считывание информации. Управление работой диска выполняет специальное устройство – контроллер жесткого диска.

К основным параметрам жестких дисков относятся емкость и производительность. Емкость дисков зависит от технологии их изготовления. Современные технологии позволяют получить емкость 20 Гбайт и более. Производительность жесткого диска определяется скоростью передачи данных, которая может достигать 80 Мбайт/с и более. Производительность зависит также от времени доступа (временем поиска нужных данных), которая может составлять 5-6 мкс и менее.

Для оперативного переноса небольшого объема информации с одного компьютера на другой широко используют так называемые гибкие диски (дискеты), которые вставляются в специальный дисковод. Первые гибкие диски имели размер 5,25 дюйма, а их емкость составляла 160 Кбайт. Современные диски размером 3,5 дюйма имеют емкость 1440 Кбайт (1,4 Мбайт). Гибкие диски считаются малонадежным носителем информации, поэтому использовать их в качестве основного средства хранения информации недопустимо.

С 1995 года в компьютеры стали устанавливаться CD-ROM дисководы (постоянные запоминающие устройства на основе компакт-дисков). Принцип действия этого устройства состоит в считывании числовых данных с помощью лазерного луча, отражающегося от поверхности диска. Цифровая запись на компакт-диске отличается от магнитной записи очень высокой плотностью. Стандартный компакт-диск может хранить примерно 650 Мбайт данных. В настоящее время появились устройства записи данных на компакт-диски: устройства однократной записи CD-R и устройства многократной записи CD-RW.

Дата добавления: 2014-01-11