Общие принципы построения персональных компьютеров

Технические средства обработки данных

Для автоматизации информационных процессов и систем использовались различные устройства, но компьютер оказался наилучшим и универсальным средством автоматизации информационных процессов в управлении, торговле, делопроизводстве, финансовом деле и других. В связи с этим важна задача изучения принципиальных особенностей устройства и функционирования компьютеров. Речь идёт, прежде всего, о изучении персональных компьютеров, получивших наибольшее распространение и всеобщее признание как основных средства автоматизации деловых отношений.

Для экономистов не важны детали и технические особенности работы компьютеров. Поэтому ограничимся знакомством только с основными идеями построения ЭВМ.

Эти идеи сводятся следующим:

компьютер состоит из отдельных независимых блоков;

информационная связь между блоками осуществляется через специальное устройство - шину;

внутреннее устройство блока не имеет значения, блок должен обеспечивать выполнение определённых функций по заданным общеизвестным правилам.

Как следствие - блоки могут изготавливать независимые производители, что имеет очевидные экономические последствия.

Главный блок компьютера - процессор работает в соответствии с командами программы, которая хранится вместе с данными в оперативной памяти. Эти и другие принципы работы процессора, сформулированные Фон Нейманом на заре эпохи ЭВМ, сохранились до сих пор и имеют общекультурное значение.

Информация создаётся, передаётся и потребляется; имеет смысл только в некоторой культурной среде. Для более оперативного обмена информацией созданы и развиваются сети ЭВМ и глобальная информационная среда - Internet.

Основа современных информационных технологий - компьютеры. Сосредоточим своё внимание на персональных компьютерах, наиболее доступном средстве обработки информации.

Ядро. Персональный компьютер состоит из блоков. Ядром компьютера являются процессор и оперативная память (ОП).

Процессор активный элемент ядра, аналог мотора автомобиля. Процессор может выполнять операции над числами и словами (последовательностью символов). В число таких операций входят: арифметические операции над числами, объединение и сравнение слов, пересылка чисел и слов, и другие операции. Операция выполняется процессором, когда актуализируется соответствующая команда. Состав операции (команд) процессора зависит от его типа. Одной из важнейших особенностей микропроцессоров, на базе которых построены персоналки, является сравнительно малый набор этих команд. Данные, над которыми производятся процессором действия, хранятся в оперативной памяти.

Физической основой оперативной памяти является совокупность физических элементов, каждый из которых может находиться в одном из двух состояний. Одно из состояний кодируется знаком 0, а другое - 1. Эти элементы называют двоичными. Говорят, что информационная ёмкость одного элемента составляет один бит. Совокупность восьми ячеек составляет один байт. Вводятся также такие понятия, как

1 килобайт = 1024 байта;

1 мегабайт = 1024 килобайта;

1 гигабайт = 1024 мегабайта.

Байт - это минимальная адресуемая единица памяти. Это означает, что все байты пронумерованы, а номер байта составляет его адрес. Если данные занимают более, чем один байт, то их адресом считается младший адрес занятого байта. Используя адреса, можно находить нужные данные, пересылать в другое место или выполнять другие операции, при условии, конечно, что адрес данных известен.

Команда, выполняемая процессором, содержит:

код операции, т.е. её номер;

адреса аргументов;

адрес результата.

Последовательность команд, которые выполняют определённую задачу, называют программой. Программа, как, и данные, находится в памяти компьютера.

Чтобы выяснить принципы работы процессора, управляемого программой, рассмотрим следующий гипотетический набор операций:

01 - сложение целых чисел;

02 - вычитание;

03 - умножение;

04 - деление;

05 - пересылка чисел из одного места памяти в другое;

06 - засылка конкретного числа в заданное место памяти;

07 - операция условного перехода.

Реальный процессор выполняет несколько десятков или даже несколько сотен различных операции. Это связано не в последнюю очередь с тем, что операции совершаются над данными различных типов (целые, вещественные, символьные и т.п.), а не только целыми, как у нас.

У процессора есть собственная память, состоящая из регистров, с которыми можно обращаться как с обычной памятью. Пусть наш процессор содержит единственный регистр, в котором будет содержаться адрес следующей выполняемой команды. Обозначим его R.

Чтобы процессор сложил два числа нужно предложить ему команду следующего типа: 01 0826 0828 0830.

Процессор, выполняя её, сложит содержимое областей памяти с адресами 0826 и 0828, поместив результат сложения в область с адресом 0830. Для умножения конкретных чисел, например 3 на 4, необходимо заслать в некоторые области соответствующие числа, а затем их перемножить. Другими словами, процессор должен выполнить программу:

06 0003 0826

06 0004 0828

в результате выполнения которой, в области с адресом 0830 будет записан результат умножения, т.е. 12.

Чтобы программа стала доступна для процессора и могла им выполняться, она должна быть записана в ОП. Очевидно, что это легко сделать, поскольку каждая команда может быть записана как целое число. Адрес команды, которую будет выполнять процессор, записывается в регистре.

Чтобы заставить процессор выполнять некоторую программу, достаточно поместить эту программу в ОП, а в регистр записать адрес первой команды этой программы. Эту задачу выполняет одна из программ операционной системы - загрузчик. Первоначальную загрузку осуществляет специальный загрузчик, входящий в особую часть операционной системы - BIOS (Basic Input Output System). Эта часть находится в ПЗУ (постоянном запоминающим устройстве) и начинает автоматически загружаться при включении компьютера.

Очень часто приходится прерывать выполнение текущей программы, заставлять процессор выполнять другую программу, а по окончанию ее возвращаться к прерванной. Для подобных целей служит специальная область в ОП (стек), в которую при прерывании помещаются адреса текущих команд прерванных программ.

Рассмотрим соответствующий пример. Пусть операционная система, которая тоже является программой, записана в ОП, начиная с адреса 0258. Пусть, в тоже время, выполняемая программа загружена в ОП начиная с адреса 3300. Пусть драйвер клавиатуры, т.е. программа управляющая работой клавиатуры, находится в ОП, начиная с адреса 9900. Чтобы передать управление рабочей программе, ОС должна загрузить в регистр константу 3300, а адрес своей следующей команды, например, 0358 поместить в стек. Если при выполнении программы пользователь нажмёт клавишу клавиатуры, то работа программы прервётся, адрес следующей выполняемой команды (например - 3380) будет записан в стек, а регистр будет записано число 9900. В стеке теперь будет число 33800358. После завершения работы драйвера в регистр поместится первое число из стека, т.е. 3380, и работа рабочей программы продолжится с прерванного места.

При этом в стеке останется число 0358, которое обеспечит возврат к выполнению ОС в; нужном месте, после завершения работы нашей программы. Обычно при выполнении команды, значение регистра увеличивается на длину этой команды, чем обеспечивается последовательное выполнение команд программы одна за другой в порядке из записи в памяти ЭВМ. При программировании большинства алгоритмов требуется изменять этот порядок при выполнении определённых условий. Для этого в нашем случае служит операция 07, заставляющая игнорировать следующую команду, при условии, что результат предшествующей операции был отрицательным. В качестве примера рассмотрим программу умножения первых десяти чётных чисел (где в скобках указаны порядковые номера команд):

(1) 06 0001 0824 - в область с адресом 0824 помещается число 1 (для формирования произведения чётных чисел);

(2) 06 0002 0826 - в область с адресом 0826 помещается число 2;

(3) 06 0000 0828 - в область с адресом 0828 помещается число 0 (для формирования чётных чисел);

(4) 06 0020 0830 - в область с адресом 0830 помещается число 20 (максимальное чётное число);

(5) 06 0027 0832 - где 27 - суммарная длина команд с (6) по (10);

(6) 01 0828 0826 0828 - значение 0828 увеличивается на 2, получается очередное чётное число;

(7) 03 0824 0828 0824 - число в 0824 умножается на чётное число;

(8) 02 0830 0828 0832 - значение чётного числа вычитается из 20;

(9) 07 - если чётное число больше 20, то команда (10) пропускается и сразу выполняется команда (11);

(10) 02 R 0832 R-регистр уменьшается на длину пяти последних команд и, следовательно, после (10) будет выполняться команда (6);

(11)…………………………………………..

Таким образом, команды с (6) по (10) будут выполняться до тех пор, пока в области с адресом 0828 не появится число 22; т.е. они повторятся 10 раз. Говорят, что эти команды образуют цикл. Цикл - это многократно повторяющаяся последовательность команд. Команда 07 условная, она выполняется или не выполняется в зависимости от знака результата предшествующей команды. Условные команды и циклы играют решающую роль в технологии программирования.

Для синхронизации процессов в машине служит генератор импульсов. Число импульсов, вырабатываемых генератором в единицу времени, называется тактовой частотой. Тактовая частота служит мерой быстродействия процессора. 0 современных «персоналках» тактовая частота измеряется сотнями мегагерц (мегагерц - 10⁶ импульсов в секунду).

На самом деле процессор не имеет возможности оперировать с данными непосредственно в ОП. Для операций с ними (сложений чисел умножений и т.д.) он должен переписать аргументы операций из ОП в специальные регистры, которых у него не один, как предполагалось, а несколько, обычно 16. Результат операции получается также в одном из регистров, а затем переписывается в ОП. Следствием этих обстоятельств является ограниченность длины аргументов, с которыми непосредственно оперирует процессор, длиной регистров.

У первых микропроцессоров длина регистра составляла всего 8 разрядов (8 бит). Это было сделано для удешевления процессора. В последующем длина регистров стала 16 бит.

Если необходимо оперировать с аргументами большей длины, то процессор совершает несколько операций с этими данными, оперируя с ними по частям. Это ставит реальное быстродействие процессора в зависимость от длины его регистров. Таким образом, при оценке производительности процессора мы должны учитывать не только тактовую частоту генератора, но и длину его регистров.

Существенное ограничение на длину регистра и быстродействие машины в целом накладывает конструкция шины, а именно её быстродействие и количество жил в шине. Последняя характеристика определяет длину двоичной последовательности, которую шина может передать за один такт - 8 или 16

Периферия. Все остальные устройства, т.е. не процессоры и не ОП, могут рассматриваться как периферийные. Здесь отметим: жёсткий диск (винчестер); монитор; клавиатуру; манипулятор - мышь; дисковод флоппи-диска; принтер; привод компакт-диска.

Для человека, использующего компьютер, наибольший интерес представляют сведения о работе дисков, которые физически различны, но сходны по логике их использования. Поэтому будем рассматривать их одновременно. Дисковод флоппи-диска позволяет переписать информацию (программы или данные) на дискету, хранить её там или переписать в память другого компьютера. На жёстком диске информация хранится постоянно. Для записи программ и данных существует ОП. Оперативная память имеет три недостатка: она сравнительно мала; относительно дорога; информация в ней стирается при отключении электропитания.

Диски с самого начала были рассчитаны на коллективное использование. Технология и методология их использования разработаны фирмой IBM. Основной единицей записи информации на диск является файл (file). Среди многочисленных значений этого слова, конечно, имеется в виду картотека или подшивка для бумаг. Файл имеет имя, которое даётся ему при создании. Имя позволяет найти файл на диске. Файл - это самостоятельная часть информации, имеющая имя и хранящаяся постоянно на диске.

Имя файла состоит из двух частей, разделённых точкой. Например, FILEDAT.DOC. Основная часть может быть произвольной. Дополнительная часть - расширение говорит о типе файла. Расширение DOC - документальный файл, EXE - файл, содержащий команды процессора, исполняемый и т.д. Нет никаких механизмов, принуждающих давать файлам те или иные имена. Однако операционная система при операциях с файлами использует их расширение. Более точно, с каждым расширением ассоциируется некоторая программа-приложение, которая и запускается при активизации того или иного файла. Для активизации файла достаточно дважды щелкнуть мышкой по его имени (в Internet приложениях - один раз).

Дисков на компьютере может быть несколько. Каждый диск идентифицируется буквой и двоеточием. Например, диски а: или с:.

Для доступа к файлам служит папка (каталог), в которые заносятся имена файлов, краткие сведения о них самих и о месте хранения файлов на диске. На диске может быть несколько каталогов. Один из них главный - называется корневой и имеет фиксированное имя - «/» (правый слэш). В корневом каталоге находятся данные о файлах и других каталогах, которые имеют произвольные имена. Эти каталоги называются также подкаталогами корневого каталога. В свою очередь, в этих каталогах находятся файлы и другие каталоги и т.д.

Важным принципом организации файловой системы каталогов является принцип локализации имён внутри данного каталога. Он заключается в том, что одинаковые имена файлов или каталогов, упомянутые в разных каталогах, считаются различными. Это приводит к двум важным следствиям:

имена в текущем каталоге можно давать независимо от их использования в других каталогах;

вложение одних каталогов в другие никогда не приводит к рекурсии.

Таким образом, получаем иерархическую (древообразную) систему каталогов.

Замечание по терминологии. Каталоги часто именовали также директориями, что считалось признаком профессионализма. Фирма Microsoft, разработчик системы Windows, ввела новый термин для каталога, называя его папкой.

Дата добавления: 2014-01-13