Общие принципы работы ЭВМ

Состав и назначение основных элементов персонального компьютера, их характеристики

2.2.1. Функциональная организация и общие принципы работы ЭВМ

Функциональная организация ЭВМ - это абстрактная модель ЭВМ, описывающая функциональные возможности машины и предоставляемые ею услуги. Функциональная организация ЭВМ в значительной степени определяется предъявляемыми к ней требованиями, уровнем подготовки потенциальных пользователей, типом решаемых ими задач, потребностями в развитии компьютера (по емкости ЗУ, разрядности, составу периферийных устройств и др.).

Предусматриваемые абстрактной моделью функции ЭВМ реализуются на основе реальных, физических средств (устройств, блоков, узлов, элементов) в рамках определенной структуры. В общем случае под структурной организацией ЭВМ понимается некоторая физическая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия основных функциональных частей машины (без излишних деталей их технической реализации).

РИС. (2.2)16 Обмен информацией между устройствами компьютера

Любая ЭВМ состоит из следующих базовых устройств˸ процессор, память (внутренняя и внешняя) и устройства ввода и вывода информации.

Основные функции компьютера - ввод, обработка, хранение, вывод данных.

Информация с которой работает компьютер, представлена в двоичном коде и делится на 2 типа: набор команд по обработке (программа); данные, обрабатываемые программой.

Руководит обработкой процессор. Он состоит из 2-х блоков: устройства управления (УУ); арифметико-логического устройства (АЛУ).

Команды и данные вводятся в оперативную память (ОП) последовательно.

УУ процессора выбирает команды из ОП и организует их выполнение, АЛУ проводит операции над ними.

С процессором и ОП связаны внешние (периферийные) устройства (клавиатура, дисплей, диски, манипуляторы, принтер и т.д.), которые обеспечивают ввод, вывод и хранение информации.

2.2.2. Минимальная конфигурация компьютера

При построении ПК основным принципом является принцип модульности. Модулями называются отдельные устройства компьютера, рассчитанные на выполнение отдельных функций и имеющие стандартные средства сопряжения (подключения). Таким образом, ПК складываются из модулей как из кубиков. Его конфигурацию легко наращивать и изменять добавляя новые модули или заменяя ранее установленные.

Конфигурация ПК – это конкретный набор модулей, из которых состоит данный компьютер.

Базовая конфигурация персонального компьютера — это минимальный комплект аппаратных средств, которых достаточно для работы с компьютером. На сегодняшний день для настольных компьютеров базовой считается конфигурация, содержащая четыре устройства:

- монитор;

- системный блок;

- мышь;

- клавиатура.

РИС. (2.2)17 Основные устройства ПК

2.2.3. Компоненты системного блока

Чтобы изучить устройство компьютера и увидеть состав системного блока, необходимо снять боковую крышку.

РИС. (2.2)18 Содержимое системного блока

РИС. (2.2)19 Корпус

Здесь расположены все перечисленные части компьютера. Бывают различных размеров и форм-факторов. Чем корпус объемней и массивней, тем легче обеспечивать хорошее охлаждение и низкий уровень шума.

РИС. (2.2)20 Блок питания

Один из важнейших компонентов, входящих в состав системного блока, так как обеспечивает питание всех частей компьютера.

Его мощность и качество влияет на состояние всех комплектующих. Некачественный блок питания может являться причиной нестабильной работы компьютера и даже причиной выгорания дорогостоящих деталей. Мощность выбирается в зависимости от целей и назначения компьютера.

Например, для компьютера, используемого в офисах, достаточно будет 300 Вт, а для игровой машины может и 500 Вт не хватить.

РИС. (2.2)21 Центральный процессор (CPU)

Комплектуется охлаждающим радиатором и вентилятором (кулером). Центральный процессор - это главное устройство обработки данных. Именно он выполняет действия, из последовательности которых состоят программы.

Производительность компьютера во многом зависит от быстродействия центрального процессора, которое определяется тактовой частотой работы, разрядностью, архитектурой и количеством ядер.

РИС. (2.2)22 Корпусный вентилятор (кулер)

Служит для охлаждения комплектующих компьютера. В некоторых случаях устанавливается два и более вентилятора.

РИС. (2.2)23 Модули оперативной памяти

Оперативная память (ОЗУ, RAM) - отличается высоким быстродействием и используется процессором непосредственно во время работы для кратковременного хранения информации. При выключении источника питания информация, хранящаяся в ОЗУ стирается.

Оперативной памяти никогда не бывает много, поэтому чем ее больше, тем лучше. Сегодня рекомендуется иметь не менее 2-х Гигабайт оперативной памяти.

РИС. (2.2)24 Видеокарта (видеоадаптер, видеопроцессор)

(Видеоплата, видеоадаптер, videoadapter, videocard)- устройство компьютера, которое отвечает за обработку и вывод графической информации на монитор.

Видеоадаптер имеет свой собственный графический процессор, который обрабатывает 2D/3D графическую информацию. Это снижает вычислительную нагрузку на центральный процессор (CPU).

Для офисных компьютеров подойдет практически любая видеоплата (даже встроенная в материнскую плату), а вот для игровых машин придется приобрести что-нибудь по серьезнее.

РИС. (2.2)25 PCI-устройства

PCI-устройства могут включать в себя сетевые карты, TV-тюнеры, платы FireWire (IEEE-1394) и т.д.

РИС. (2.2)26 CD/DVD приводы

(CD/DVD-ROM). Осуществляет чтение и запись информации с дисков/на диски CD, DVD и др. Между собой отличаются скоростью чтения и скоростью записи.

РИС. (2.2)27 Жесткий диск (винчестер)

(Винчестер, HDD, harddisk) - это устройство хранения информации на Вашем компьютере. При выключении питания данные не стираются. По сравнению с оперативной памятью скорость работы HDD намного ниже, а объем хранимой информации намного больше.

Емкость жесткого диска измеряется в Гигабайтах или даже в Терабайтах. Естественно, что чем больше объем винчестера, тем больше Вы сможете хранить на своем компьютере документов, программ, игр, фильмов, музыки и т.д.

РИС. (2.2)27 Материнская (системная) плата

(Материнская плата, мather-board) – основной компонент, входящий в состав системного блока. Именно на нее устанавливаются все комплектующие элементы, входящие в состав ПК.
От выбора материнской платы зависит какой именно устанавливается процессор, оперативная память и т.д.

2.2.4. Основной вычислительный элемент ЭВМ — микропроцессор, его параметры и характеристики

Микропроцессор является главным устройством компьютера, в котором собственно и происходит обработка всех видов информации. Другой важной функцией процессора является обеспечение согласованного действия всех узлов, входящих в состав компьютера. Соответственно наиболее важными частями процессора являются арифметико-логическое устройство АЛУ и устройство управления УУ.

Каждый процессор способен выполнять вполне определенный набор универсальных инструкций (машинных командам). Каков именно данный набор, определяется устройством конкретного процессора, но он не очень велик и в основном аналогичен для различных процессоров. Работа ЭВМ состоит в выполнении последовательности таких команд, подготовленных в виде программы. Процессор способен организовать считывание очередной команды, ее анализ и выполнение, а также при крайне принять данные или отправить результаты их обработки на требуемое устройство. Выбрать, какую инструкцию программы исполнять следующей, также должен сам процессор, причем результат этого выбора часто может зависеть от обрабатываемой в данный момент информации.

Микропроцессор выполняет следующие основные функции:

1. чтение и дешифрацию команд из основной памяти;

2. чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств;

3. прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств;

4. обработку данных и их запись в основную память и регистры адаптеров внешних устройств;

5. выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков компьютера.

В состав микропроцессора входят следующие устройства:

1. Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.

2. Устройство управления координирует взаимодействие различных частей компьютера. Выполняет следующие основные функции:

· формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполнения различных операций;

· формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера;

· получает от генератора тактовых импульсов обратную последовательность импульсов.

3. Микропроцессорная памят ь предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно в ближайшие такты работы машины. Микропроцессорная память строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия компьютера, так как основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.

4. Интерфейсная система микропроцессора предназначена для связи с другими устройствами компьютера. Включает в себя:

Основные параметры микропроцессоров:

· разрядность;

· рабочая тактовая частота;

· размер кэш-памяти;

Разрядность шины данных микропроцессора определяет количество разрядов, над которыми одновременно могут выполняться операции; разрядность шины, адреса МП определяет его адресное пространство. Адресное пространство — это максимальное количество ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано микропроцессором.

Рабочая тактовая частота МП во многом определяет его внутреннее быстродей­ствие, т.к. каждая команда выполняется за определенное количество тактов.

Быс­тродействие (производительность) ПК зависит также и от тактовой частоты шины материнской платы, с которой работает (может работать) МП.

Кэш-память, устанавливаемая на плате МП, имеет два уровня:

L1 — память 1-го уровня, находящаяся внутри основной микросхемы (ядра) МП и работающая всегда на полной частоте МП

L2 — память 2-го уровня, кристалл, размещаемый на плате МП и связанный с ядром внутренней микропроцессорной шиной. Память L2 может работать на полной или половинной частоте МП. Эффективность этой кэш-памяти зависит и от пропускной способности мик­ропроцессорной шины.

2.3. Запоминающие устройства: классификация, принцип работы, основные характеристики

2.3.1. Параметры и основные характеристики запоминающих устройств

Информация в ПК хранится в электронной памяти.

Запоминающие устройства (ЗУ) ЭВМ – это совокупность устройств, обеспечивающих хранение и передачу данных. Основные операции, выполняемые запоминающими устройствами, – запись и считывание информации, в совокупности называют обращением к памяти.

Запоминающие устройства (ЗУ) служат для хранения информации и обмена ею с другими цифровыми устройствами. Память компьютера дискретна, она состоит изотдельных ячеек. Наименьший запоминающий элемент (ЗЭ) памяти — бит — двоичный разряд. В нем хранится двоичный код (0 или 1). Восемь последовательных двоичных разрядов составляют байт. Максимальное количество байтов, которое может быть одновременно обработано командой процессора, машинное слово или запоминающая ячейка (ЗЯ), длина которого определяется разрядностью процессора

Объем памяти компьютера измеряется в байтах и их производных: килобайтах (1 Кб = 1024 б), мегабайтах (1Мб = 1024 Кб), гигабайтах (1Гб = = 1024 Мб) и т. д.

Основные характеристики запоминающих устройств:

· информационная емкость - максимально возможный объем хранимой информации. Выражается в битах или машинных словах

· быстродействие (производительность) ЗУ оценивают временами считывания, записи и длительностями циклов чтения/записи. Время считывания - интервал между моментами появления сигнала чтения и слова на выходе ЗУ. Время записи - интервал после появления сигнала записи, достаточный для установления ЗЯ в состояние, задаваемое входным словом;

Память компьютера имеет многоуровневый характер. Такое сочетание запоминающих систем называется иерархией памяти компьютера.

В наиболее развитой иерархии памяти ЭВМ можно выделить следующие уровни:

1) регистровые ЗУ, находящиеся в составе процессора или других устройств (т.е. внутренние для этих блоков), благодаря которым уменьшается число обращений к другим уровням памяти, реализованным вне процессора и требующим большего времени для операций обмена информацией;

2) кэш - память, служащая для хранения копий информации, используемой в текущих операциях обмена. Высокое быстродействие кэш - памяти повышает производительность ЭВМ;

3) основная память (оперативная, постоянная, полупостоянная), работающая в режиме непосредственного обмена с процессором и по возможности согласованная с ним по быстродействию. Исполняемый в текущий момент фрагмент программы обязательно находится в основной памяти;

4) специализированные виды памяти, характерные для некоторых специфических архитектур (многопортовые, ассоциативные, видеопамять и др.);

5) внешняя память, хранящая большие объемы информации. Эта память обычно реализуется на основе устройств с подвижным носителем информации (магнитные и оптические диски, магнитные ленты и др.).

Память компьютера по способу организации и использования можно разделить на внутреннюю и внешнюю.

2.3.2. Внутренняя память (ОЗУ, ПЗУ, кэш), ее назначение и принцип работы

Внутренняя память компьютера включает в себя оперативную память, постоянную память, кэш-память.

Оперативная память (оперативное запоминающее устройство — ОЗУ или Random Access Memory — RAM) — энергозависимое, быстродействующее запоминающее устройство, предназначенное для хранения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в вычислительном процессе на текущем этапе функционирования ПК. ОЗУ — энергозависимая память: при отключении напряжения питания информация, хранящаяся в ней, теряется.

Постоянная память (постоянное запоминающее устройство — ПЗУ или Read Only Memory — ROM) используется для хранения неизменяемой информации: загрузочные программы ОС, программы тестирования устройств компьютера и некоторых драйверов базовой системы ввода-вывода (BIOS -Basic Input-Output System) и др. Из ПЗУ можно только считывать информацию.

Существуют также перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ), в которых информация может перезаписываться несколько раз в процессе эксплуатации. ППЗУ применяются в тех случаях, когда необходима модификация программы или функций самой системы.

Кэш-память — высокоскоростная память сравнительно большой емкости, которая является буфером между оперативной памятью и микропроцессором и позволяющая увеличить скорость выполнения операций. В кэш-памяти хранятся данные, которые микропроцессор получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Современные микропроцессоры, начиная от МП 80486, имеют свою встроенную кэш-память (или кэш-память 1-го уровня). Кэш-память 2-го уровня размещается на материнской плате вне микропроцессора и хранит данные и результаты, обрабатываемые процессором в текущий момент времени.

2.3.3. Внешние запоминающие устройства, назначение и принцип работы

Внешняя память компьютера предназначена для долговременного хранения информации. Внешние ЗУ также называют накопителем.

Накопители бывают внешними (собственный корпус и источник питания), встроенными в корпус компьютера, со сменными и несменными носителями, с носителями разной формы (диски, ленты). Накопители имеют разные характеристики: максимально возможный объем хранимой информации, время доступа.

Накопители на магнитных лентах называются стримерами. В современных стримерах используются специальные кассеты (картриджи) с магнитной лентой. Стримеры имеют разные стандарты, определяющие интерфейс с компьютером, формат магнитной ленты, методы кодирования и сжатия.

Жесткие несменные диски называются винчестерами. Они представляют собой систему, состоящую из механического привода головок чтения-записи, нескольких носителей и контроллера, обеспечивающего работу всего устройства. Магнитная головка (несколько магнитных головок в специальном позиционере) является одной из наиболее важных частей устройства. Носитель информации состоит из нескольких дисков, каждый из которых имеет две рабочие поверхности. При записи информации используются магнитные свойства слоя, нанесенного на поверхность.

Магнитооптические диски имеют различную емкость от 128 Мбайт до 640 Мбайт. Запись производится после нагревания лазером магнитного слоя до определенной температуры. Надежность хранения информации обеспечивается тем, что при обычной температуре информация не подвержена действию внешних магнитных полей.

Устройства CD-ROM используют носители емкостью до 650 Мбайт, представляющие собой диски со светоотражающим слоем на одной стороне, где хранится информация. На диск нанесена дорожка-спираль от центра к краю диска, состоящая из отражающих и не отражающих свет точек; считывание производится лазерным лучом.

Накопители CD-R позволяют лишь однократно записывать информацию на диски. Луч лазера прожигает пленку на поверхности диска, меняя его отражающую способность. Перезапись при этом невозможна. Такие диски считываются на любом приводе CD-ROM.

Накопители CD-RW позволяют делать многократную запись на диск. Здесь используются свойство рабочего слоя переходить под воздействием лазерного луча в кристаллическое или аморфное состояние, имеющие разную отражательную способность.

Накопители DVD предназначены для хранения видео, аудио, высокого качества, компьютерной информации большого объема. Плотность записи выше, чем у обычных CD-ROM.+

Накопители DVD-RAM позволяют записывать и перезаписывать информацию.

Накопители на сменных жестких дисках используют технологию винчестеров. Параметры таких устройств приближаются к параметрам устройств с жесткими несъемными дисками.

Флэш-память. Модули или карты флэш-памяти устанавливаются прямо в разъемы материнской платы. Флэш-память обладает рядом преимуществ в использовании: высокая надежность и ударопрочность, малое энергопотребление. Одним из основных преимуществ флэш-памяти является ее компактность, поэтому она удобна для хранения и переноса данных.

Дата добавления: 2017-02-01