Лекции № 2,3 Архитектура современной вычислительной техники

Компьютер. Понятие архитектуры. Структура компьютеров.

Опр. Компьютер— это универсальное (многофункциональное) электронное автоматическое устройство, предназначенное для на­копления, обработки и передачи информации. Основные блоки компьютера: процессор, память, периферийные устройства. Под архитектурой компьютера понимается его логическая организация, структура, ресурсы, то есть средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки дан­ных на определенный интервал времени. В основу архитектуры со­временных персональных компьютеров положен магистрально модульный принцип (рис.1).

Опр. Магистраль (системная шина) — это набор электронных ли­ний, связывающих центральный процессор, основную память и пе­риферийные устройства воедино относительно передачи данных, служебных сигналов и адресации памяти. Благодаря модульному принципу построения потребитель сам может комплектовать ком­пьютер нужной ему конфигурации и производить при необходи­мости ее модернизацию.

	Системный блок Процессор Оперативная память
М а г и с т р а л ь
Периферийные (внешние) устройства НГМД НЖМД Дисплей Клавиатура Принтер Мышь Сканер

Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информации. Данные по шине данных могут передаваться от процессора к какому-либо устройству, или наоборот, от устройства к процессо­ру, то есть шина данных является двунаправленной. Дополнительные платы называют дочерними, а системную плату — материнской.

Функциональные устройства, выполненные на дочерних пла­тах, часто называют контроллерами или адаптерами, а сами дочерние платы — платами расширения. Таким образом, подклю­чение отдельных модулей компьютера к магистрали, находящейся непосредственно на материнской плате, на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, а на программном обеспечивается драйверами. Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответ­ствующее устройство смогло принять этот сигнал и правильно от­реагировать на него. За его выполнение процессор не отвечает, отвечает лишь соответствующий контроллер, поэтому периферий­ные устройства компьютера заменяемы и набор таких модулей произволен.

Обмен информацией между отдельными устройствами компь­ютера производится по образующим магистраль трем многораз­рядным шинам (многопроводным линиям связи), соединяющим все модули — шине данных, шине адресов, шине управления. Разрядность шины определяется количеством битов шины передачи данных:

· запись/чтение данных из оперативной памяти (оперативное запо­минающее устройство — ОЗУ);

· запись/чтение данных из внешних запоминающих устройств (ВЗУ);

· чтение данных с устройств ввода;

· пересылка данных на устройства вывода.

Выбор абонента по обмену данными производит процессор, формируя код адреса данного устройства, а для ОЗУ — код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении — от процессора к устройствам (однонаправленная шина).

По шине управления передаются сигналы, определяющие ха­рактер обмена информацией (ввод/вывод), и сигналы, синхронизи­рующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией.

Опр. Процессор компьютера. Основные характеристики (разрядность, адресное пространство и др.). Процессор — это центральное устройство компьютера. Он вы­полняет находящиеся в оперативной памяти команды программы и «общается» с внешними устройствами благодаря шинам адреса, данных и управления, выведенными на специальные контакты корпуса микросхемы. Процессор вызывает данные с диска в оперативную память, забирает их к себе, обрабатывает, а потом опять отправляет в оперативную память и сохраняет в виде файлов на жестком диске.

К обязательным компонентам процессора относятся арифме­тико-логическое (исполнительное) устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ). Выполнение процессором команды предусмат­ривает: арифметические действия, логические операции, передачу управления (условную и безусловную), перемещение данных из одного места памяти в другое и координацию взаимодействия различных устройств ЭВМ. Выделяют четыре этапа обработки команды процессором: выборка, декодирование, выполнение и за­пись результата. В ряде случаев, пока первая команда выполняет­ся, вторая может декодироваться, а третья выбираться.

У компьютеров четвертого поколения функции центрального процессора выполняет микропроцессор (МП) — сверхбольшая интегральная схема (СБИС), реализованная в едином полупровод­никовом кристалле (кремния или германия) площадью меньше 0,1 см².

Микропроцессоры различаются рядом важных характеристик:

· разрядностью;

· интерфейсом с системной шиной;

· адресным пространством (адресацией памяти).

Разрядность процессора. Это число одновременно обраба­тываемых процессором битов, то есть количество внутренних битовых (двоичных) разрядов — важнейший фактор производи­тельности МП. Процессор может быть 8-, 16-, 32- и 64-разрядным. Вместе с быстродействием разрядность характеризует объем информации, перерабатываемый процессором компьютера за еди­ницу времени.

Адресное пространство (адресация памяти). Одна из функ­ций процессора состоит в перемещении данных, в организации их обмена с внешними устройствами и оперативной памятью. При этом процессор формирует код устройства, а для ОЗУ — адрес ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине. Объем физически адресуемой микропроцессором оперативной памяти на­зывается его адресным пространством. Он определяется раз­рядностью внешней шины адреса.

Периферийные устройства. Принципы хранения информации.

Периферийные устройства. Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления периферийными устройствами.

Клавиатура служит для ввода информации в компьютер и подачи управляющих сигналов. Она содержит стандартный набор алфавитно-цифровых клавиш и некоторые дополнительные клавиши — управляющие и функциональные, клавиши управления курсором, а также малую цифровую клавиатуру.

Курсор — светящийся символ на экране монитора, указывающий позицию, на которой будет отображаться следующий вводимый с клавиатуры знак.

Монитор — устройство визуального отображения информации (в виде текста, таблиц, рисунков, чертежей и др.).

Принтер — печатающее устройство. Осуществляет вывод из компьютера закодированной информации в виде печатных копий текста или графики.

Основных видов принтеров три: матричные, лазерные и струйные.

Порт — это разъём, через который можно соединить процессор компьютера с внешним устройством.

Плоттер (графопостроитель) — устройство, которое чертит графики, рисунки или диаграммы под управлением компьютера.

Плоттеры используются для получения сложных конструкторских чертежей, архитектурных планов, географических и метеорологических карт, деловых схем. Плоттеры рисуют изображения с помощью пера.

Сканер — устройство для ввода в компьютер графических изображений. Создает оцифрованное изображение документа и помещает его в память компьютера.

Модем — устройство для передачи компьютерных данных на большие расстояния по телефонным линиям связи. Модем обеспечивает преобразование цифровых сигналов компьютера в переменный ток частоты звукового диапазона — этот процесс называется модуляцией, а также обратное преобразование, которое называется демодуляцией.

Манипуляторы ( мышь, джойстик и др.) — это специальные устройства, которые используются для управления курсором.

Мышь имеет вид небольшой коробки, полностью умещающейся на ладони. Мышь связана с компьютером кабелем через специальный блок — адаптер, и её движения преобразуются в соответствующие перемещения курсора по экрану дисплея.

Джойстик — это стержень-ручка, отклонение ее от вертикального положения приводит к передвижению курсора в соответствующем направлении по экрану монитора.

Трекбол — небольшая коробка с шариком, встроенным в верхнюю часть корпуса. В отличие от мыши, трекбол не требует свободного пространства около компьютера, его можно встроить в корпус машины.

Принципы хранения информации.

Правило: Память компьютера подразделяется на основную и внешнюю. В современных компьютерах устройства внешней памяти по­зволяют сохранять информацию после выключения компьютера, так как в них используется магнитный или оптический способ записи/чтения информации. В качестве носителей информации в этих случаях применяют магнитные и оптические диски.

Основная память, называемая иногда внутренней, располагается внутри системного блока. Она является обязательной составной частью любого компьютера, реализуется в виде электронных микросхем и в персональных компьютерах располагается на материнской плате. Основная память состоит из постоянной и оперативной памяти.

Постоянная память, или постоянное запоминающее устройст­во — ПЗУ (Read only memory - ROM), — память только для чте­ния. Она реализована, как уже говорилось, в виде электронных схем и служит для хранения программ начальной загрузки компь­ютера и тестирования его узлов.

Оперативная память, или оперативное запоминающее устрой­ство (ОЗУ), предназначена для хранения информации, изменяю­щейся в ходе выполнения процессором операций по ее обработке. Информацию в такую память можно записать для хранения, изме­нять или использовать при необходимости.

Правило: Вся информация, вво­димая в компьютер и возникающая в ходе его работы, хранится в этой памяти, но только тогда, когда компьютер включен.

Структурно оперативную память можно представить как совокупность ячеек памяти, разделенных на разряды для хра­нения в каждом из них бита информации. Следовательно, в любую ячейку памяти записывается некоторый набор нулей и единиц, или машинное слово — фиксированная, упорядоченная последователь­ность битов, рассматриваемая аппаратной частью компьютера как целое.

О бъем памяти компьютера измеряют в килобайтах, мегабайтах, гигабайтах соответствии с количеством байтовых ячеек как дискретных структурных единиц памяти.

В оперативной памяти в виде последовательности машинных слов хранятся как данные, так и программы. В любой момент вре­мени доступ может осуществляться к произвольно выбранной ячейке, поэтому этот вид памяти называют также памятью с про­извольной выборкой — RAM(Random Access Memory).

Хранение информации и ее носители. Внешняя память компьютера.

Возросшие к концу XX века потоки информа­ции необходимость сохранения ее в больших объемах и появле­ние ЭВМ способствовали разработке и применению носителей информации, обеспечивающих возможность ее долговременного хранения в более компактной форме. К таким носителям при использовании современных моделей компьютеров четвертого поколения относятся гибкие и жесткие магнитные диски и так на­зываемые диски СD-RОМ, составляющие внешнюю память компь­ютера.

Устройства, которые обеспечивают запись информации на носители, а также ее поиск, считывание и воспроизведение в опе­ративную память, называют накопителями. В основу записи, хра­нения и считывания информации положены два принципа — магнитный и оптический, что обеспечивает сохранение информа­ции и после выключения компьютера.

Магнитные диски (МД) бывают гибкие и жесткие. Гибкий МД (ГМД) диаметром 5,25 дюйма (133 мм) в настоящее время может хранить до 1,2 Мбайта информации.

Для приведения его в рабочее состояние он должен быть отформатирован, т.е. должна быть создана структура диска. Для ГМД — это магнитные концентрические дорожки, разделенные на сектора, помеченные магнитными метками, а у жестких МД — еще и ци­линдры — совокупность дорожек, расположенных друг над другом всех рабочих поверхностях дисков.

CD-RОМ (Сотрасt Disc Rеаd Оп1у Метоry) обладает емкостью до 3 Гбайт, высокой надежностью хранения информации, долго­вечностью (прогнозируемый срок его службы при качественном исполнении составляет 30-50 лет). Диаметр диска может быть как 5,25, так и 3,5 дюйма. Принцип записи и считывания оптический.

Магнитооптические диски лишены этих недостатков, так как учтены достижения магнитной и оптической технологий. На магнитооптические диски можно записывать информацию и быстро считывать ее. Они сохраняют все преимущества ГМД (перено­симость, возможность отдельного хранения, увеличение памяти компьютера) при огромной информационной емкости.

Опр. Оперативная память состоит из ячеек. У каждой ячейки есть свой адрес.

Когда компьютер отправляет данные на хранение в оперативную память, он запоминает адреса, в которые эти данные помещены. Обращаясь к адресной ячейке, компьютер находит в ней байт данных.

Правило: Процессор тоже состоит из ячеек, но у них другое назначение. В ячейках процессора данные не хранятся, а обрабатываются. Ячейки процессора называют регистрами.

Существуют различные типы регистров: регистры общего назначения, адресные регистры, флаговые регистры.

Литература: 1 осн. [5-27], 2 осн. [6-120 ], 8 доп. [10-130 ]

Контрольные вопросы:

1. Что называют архитектурой компьютера?

2. В чем смысл модульного принципа организации современной ЭВМ?

3. Что такое магистраль?

4. Какова функция процессора при работе компьютера?

5. Какие основные блоки входят в состав компьютера?

6. Какие периферийные устройства относятся к устройствам ввода и вывода?

7. Основные принципы хранения информации? Где хранятся информация?

Лекции №4,5. Программное обеспечение компьютера

Классификация программного обеспечения. Структура данных.

Классификация программного обеспечения. Программное обеспечение (ПО) является необходимой составной частью любой ЭВМ. В состав ПО персональных компьютеров входят как универсальные средства, так и прикладные программы, ориентированные на отдельные проблемные области.

В настоящее время для разных типов ПЭВМ разработано несколько десятков тысяч программ, которые могут быть разделены на следующие основные классы:

- операционные системы,

- системные программы;

- прикладные программы.

- базовые программные средства;

-драйверы устройств;

- служебные программы.

Операционная система (ОС) — неотъемлемая часть программного обеспечения компьютера, управляющая все­ми его аппаратными компонентами.

Функции операционной системы компьютера:

· обслуживание файловой системы: навигация по файловой системе, создание файлов и каталогов; копирование файлов и каталогов; удаление, поиск; открытие файлов и исполнение программных файлов.

· Аппаратно-программный интерфейс;

· Программно-аппаратный интерфейс;

· Программно-программный интерфейс;

· Интерфейс пользователя;

· Управление заданиями;

· Управление памятью;

· Диагностика и обслуживание компьютера.

Категории программного обеспечения:

· Коммерческое программное обеспечение;

· Условно-бесплатное программное обеспечение;

· Программное обеспечение свободного доступа;

· Общественное достояние.

Основные виды прикладных программ:

· Текстовые редакторы;

· Текстовые процессоры;

· Графические редакторы;

· Трехмерные аниматоры;

· Электронные таблицы;

· Редактор HTML

· Обозреватели;

· Музыкальные редакторы;

· Настольные издательские системы;

· Система автоматического проектирования (CAD – системы);

· Системы управления базами данных;

· Экспертные системы;

· Бухгалтерские системы;

· Биржевые аналитические системы;

· Геоинформационные системы.

Системные программы. Эти системы обычно включают компилятор, осуществляющий непосредственное выполнение программы на языке программирования высокого уровня, редактор текстов программ, библиотеки полезных подпрограмм, отладчики, а иногда и различные вспомогательные программы.

Для популярных языков программирования IBM PC – в совместимых компьютерах (Си, Си + +, Паскаль, Бейсик, Фортран и другие) имеется множество систем программирования позволяющих создавать программы, работающие в среде DOS, WINDOWS, WINDOWS 95 и другие.

Особым классом систем программирования являются системы для создания приложений типа клиент – сервер. Эти системы позволяют работать с самыми различными системами управления базами данных.

Прикладные программы. Для IBM PC разработаны и используются сотни тысяч различных прикладных программ для различных применений. Наиболее широко применяются программы:

· подготовки текстов (документов) на компьютере – редакторы текстов;

· обработки табличных данных – табличные процессоры;

· подготовки документов типографского качества – издательские системы;

· обработки массивов информации – системы управления базами данных и т. д.;

· программы экономического назначения – бухгалтерские программы, программы финансового анализа, правовые базы данных и т.д.;

· программы для создания рисунков, анимационных и видеофильмов;

· системы автоматизированного проектирования - программы для статистического анализа данных;

· компьютерные игры, обучающие программы, электронные справочники и т. д.

Редакторы документов – это наиболее широко используемый вид прикладных программ. Редакторы документов позволяют использовать различные шрифты символов, абзацы произвольной формы, позволяют делать сноски, включать рисунки, автоматически нумеруют страницы и сноски и т. д.

Табличные процессоры. Современные табличные процессоры поддерживают трехмерные таблицы, позволяют создавать собственные входные и выходные формы, использовать средства автоматизации макрокоманды, связь с базами данных и т.д.

Системы управления базами данных (СУБД) позволяет управлять большими информационными массивами- базами данных. Наиболее простые системы этого вида позволяют обрабатывать на компьютере один массив информации. Более сложные СУБД поддерживают несколько массивов информации и связи между ними.

Графические редакторы позволяют создавать и редактировать картинки на экране компьютера. Большинство редакторов позволяют обрабатывать изображения, выводить полученные картинки в таком виде, чтобы они могли быть включены в документ. Некоторые редакторы обеспечивают возможность получения изображений трёхмерных объектов, профессиональные средства цветообработки и т.д.

Интегрированные системы сочетают в себе возможности системы управления базами данных, табличного процессора, текстового редактора, системы графики и другие возможности.

Бухгалтерские программы предназначены для ведения бухгалтерского учета, подготовки финансовой отчетности и финансового анализа деятельности предприятия.

Структура данных.

Опр. Файл — это хранящаяся на диске однородная по своему назна­чению и имеющая имя совокупность информации.

Правила образования имени файла и объединения их в файло­вые системы связаны с операционной системой, базовый модуль которой предназначен для работы с ними.

Имя файла состоит из двух частей: собственно имени и расширения. Собственно имя файла содержит не более восьми символов, при этом нельзя употреблять знаки арифметических операций, пробела, отношений, пунктуации. В качестве имени (запрещены имена, совпадающие с именами, назначенными МS-DOS как имена устройств, например СОN, LРТ1, LРТ2. расширение имени состоит не более чем из трех символов и, следо­вательно, может отсутствовать. Если расширение есть, то от основ­ного имени оно отделяется точкой. Например, ris.bmp, или mart.txt, или docl.doc.

По имени файла можно судить о его назначении, так как для расширений установилось некоторое соглашение, фикси­рующее для ОС тип обработки файлов. Расширение соm (от command) или ехе (от ехесutаble) имеют файлы программ, предназначенных для исполнения по вызову пользователя; dос (document) — файлы с документом, подготовленным в текстовом редакторе Мicrosoft Word;bac (backup) — резервные копии; bas— файлы с текстами программ на языке ВАSIС.

Правило: Список имен файлов, хранящихся на данном диске, находится в каталоге (директории) вместе со сведениями об их типе, размере, времени создания. Образуется иерархическая структура каталога, «дерево» каталогов, «корнем» которого является главный (корневой) каталог, «ветки» — подкаталоги, а «листья» — это име­на файлов.

Правило: Два файла или два подкаталога, находящиеся в двух разных ка­талогах, могут иметь одинаковые имена. Поэтому для однозначной идентификации файла (каталога) на диске следует указать путь (path, маршрут) доступа к нему. Путь доступа состоит из имени диска и списка имен каталогов; первый каталог в списке является подкаталогом корневого каталога, каждый последующий является подкаталогом предыдущего, последний каталог в этом списке со' держит искомый файл. Элементы списка разделяются обратной косой чертой (\), например:

С:\QBASIC \ BASIC1 \qbasic.ехе

С: \ QBASIC \ BASIC2 \qbasic.ехе

Опр. Составное имя файла (PATHNAME) состоит, таким образом, из пути доступа к файлу и носит также название полного имени фай­ла, однозначно определяя участок на диске с таким именем.

Каталог обеспечивает поиск нужного файла на диске по его имени. На диске выделяется определенная область, в которой рас­полагается специальная таблица размещения файлов, содержащая последовательности номеров блоков для каждого файла. Эта таб­лица постоянно обновляется, а полностью стирается вместе с кор­невым каталогом при форматировании диска.

Программы-оболочки. Наглядно показывает на экране всю файловую структуру компьютера: диски, каталоги, файлы. Программа-оболочка сама «переводит» полученные команды в язык MS-DOS.

Опр. Оболочка – это программа, которая запускается под управлением операционной системы и помогает работать с этой операционной системой.

При обращении к жесткому диску компьютер разыскивает на нем специальный пакет программ, называемый операционной системой.

Опр. Операционная система обеспечивает взаимодействие различных программ между собой (программный интерфейс), взаимодействие программного обеспечения и аппаратного (программно- аппаратный интерфейс) и взаимодействие человека с компьютером (интерфейс пользователя). Операционные системы бывают графическими и неграфическими. В неграфических системах управление производится вводом специальных команд в командную строку с помощью клавиатуры. Графические операционные системы позволяют использовать для управления компьютером специальные манипуляторы (мышь).

Опр. Программы, написанные под управлением операционной системы, называются приложениями.

Операционная система компьютера: назначение, состав, загрузка. Режимы работы.

ОС управляет компьютером, запускает программы, обеспечивает защиту пользователя и программ. Каждая программа пользуется услугами ОС, а потому может работать только под управлением той ОС, которая обеспечивает для нее эти услуги. Выбор ОС очень важен, от выбора ОС зависит производительность работы ПК, степень защиты данных и т.д.

Состав ОС. Структуру ОС составляют следующие модули:

· базовый модуль (ядро ОС) — управляет работой программ и фай­ловой системой, обеспечивает доступ к ней и обмен файлами ме­жду периферийными устройствами;

· командный процессор — расшифровывает и исполняет команды пользователя, поступающие прежде всего через клавиатуру;

· драйверы периферийных устройств — программно обеспечива­ют согласованность работы этих устройств с процессором (каж­дое периферийное устройство обрабатывает информацию по-разному и в различном темпе);

· дополнительные сервисные программы (утилиты) — делают удобным и многосторонним процесс общения пользователя с компьютером.

Загрузка ОС. Файлы, составляющие ОС, хранятся на диске, поэтому система называется дисковой операционной (ДОС).

Первый этап загрузки ОС. В системном блоке компьютера находится постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, посто­янная память, RОМ —Read only Memory— память с доступом только для чтения), в котором содержатся программы тестиро­вания блоков компьютера и первого этапа загрузки ОС. Они на­чинают выполняться с первым импульсом тока при включении компьютера (это возможно, поскольку информация в RОМ хра­нится в виде электронных схем, что допускает ее сохранение и по­сле выключения компьютера, то есть она обладает свойством энергонезависимости). На этом этапе процессор обращается к дис­ку и проверяет наличие на определенном месте (в начале диска) очень небольшой программы-загрузчика. Если эта программа об­наружена, то она считывается в ОЗУ и ей передается управление.

Второй этап загрузки ОС. Программа-загрузчик, в свою оче­редь, ищет на диске базовый модуль ОС, переписывает его память и передает ему управление.

Третий этап загрузки ОС. В состав базового модуля входит основной загрузчик, который ищет остальные модули ОС и считы­вает их в ОЗУ. После окончания загрузки ОС управление передает­ся командному процессору и на экране появляется приглашение системы к вводу команд пользователя.

· Существует несколько наиболее распространенных ОС, каж­дая из которых ориентирована на определенную разрядность про­цессора (количество битов информации, обрабатываемых им за один такт), тип процессора (вернее, компьютер определенной фирмы), а также емкость ОЗУ.

· На компьютерах типа IBM PC чаще всего встречаются следующие ОС:

1. MS DOS,

2.Среда над MS-DOS - WINDOWS 3.1,

3.WINDOWS 95, WINDOWS 98/NT, UNIX, OS/2.

Литература: 1 осн. [5-27], 2 осн. [6-120 ], 8 осн. [4-85 ], 9 доп. [10-41 ]

Контрольные вопросы:

1. Чем отличаются системные программы от прикладных программ?

2. Что такое файл? Опишите основы файловой системы?

3. Что такое иерархическая система и корневой каталог?

4. Каково назначение ОС? Из каких модулей состоит ОС?

5. Какие модули ОС при работе компьютера должны обязательно нахо­диться в оперативной памяти?

6. К чему относится операционная система? Что такое операционная система?

Дата добавления: 2014-01-06