Файл: Устройство персонального компьютера(Теоретические основы ЭВМ ).pdf

Каких-то 20 лет тому назад их можно было увидеть лишь в солидных организациях, а сегодня ПК стоит чуть ли не в каждом магазине, кафе, офисе, библиотеке.

На сегодняшний день персональные компьютеры в человеческой жизнедеятельности применяются во многих сферах – для создания научных сложных моделей, ведения бухгалтерского учета, разработки дизайна или создания музыки, поиска и хранения информации в специальных базах данных, обучения, прослушивания музыки.

Каждому человеку нужно знать сам компьютер, уметь пользоваться им. Далеко не каждый, который работает на персональном компьютере, представляет себе точный его состав.

Профессионалы, работающие вне IT-сферы, считают обязательной составляющей своей компетентности хорошие знание аппаратной части для персонального компьютера, или хотя бы его главных технических характеристик.

Также особенно велик интерес к персональным компьютерам среди молодежи, которая широко применяет их для своих личных целей.

Актуальность выбранной темы повязана с тем, что нынешний рынок компьютерной техники очень разнообразен и довольно не просто определять конфигурацию компьютера с требуемыми характеристиками. Поэтому без специальных знаний пользователям практически не обойтись.

Объектом исследования является аппаратная часть современных ПК.

Предмет исследования – устройство компьютера.

Целью курсовой работы является изучение главных устройств современного персонального компьютера.

В соответствии с рассмотренной целью поставлены следующие задачи:

– провести анализ литературы по выбранной тематике;

– рассмотреть историю создания компьютера;

– изучить главные компоненты современного ПК;

– рассмотреть классификацию некоторых составных частей системного блока;

– освоить основные свойства, характеристики компонентов ПК.

В разное время проблему аппаратной части ПК исследовали Н.Виннер, В.С. Королюк, Р.В. Малькович. Стоит отметить, что в нынешнее время составные части ПК постоянно усовершенствуются и ученые постоянно ищут новые подходы к оптимизации функционирования компонентов.

1.Теоретические основы ЭВМ

1.1. Принципы фон Неймана

В 40-х годах прошлого века американец венгерского происхождения Янош (Джон) фон Нейман включился в работу по проектированию ЭВМ для управления специальной береговой ПВО. Разрабатывалась машина "ЭНИАК" - электронный численный интегратор автоматический вычислитель (рис.1). Но проектируемая машина имела большой недостаток: в ней не было устройства для запоминания или хранения команд.

Рисунок 1 – ЭВМ «ЭНИАК»

В 1944 г. фон Нейман выступил на конференции с докладом, в котором он сформулировал основные принципы организации новейшего вычислительного устройства, которые получили название "архитектура фон Неймана" (рис.2).

Рисунок 2 – Состав типовой ЭВМ по фон Нейману

В состав стандартной ЭВМ должны были входить следующие составные части:[10]

– арифметико-логическое устройство (АЛУ) для выполнения логических и арифметических операций;

– оперативная память (ОП) – устройство для хранения кода выполняющейся программы;

– внешние устройства (ВУ), или периферийные устройства. Обычно их делят на такие классы: [6]

1) внешняя память (накопитель на гибких дисках, CD-диски, накопитель на жестких дисках, магнитооптические диски);

2) устройства ввода и вывода информации (клавиатура, микрофон, сканер, мышь, дисплей, акустические колонки, принтер, плоттер);

– управляющее устройство (УУ), что организует работу персонального компьютера:

помещает в ОП код программы с ВУ;[4]
считывает из ячеек ОП и организует реализацию первой команды программы;
определяет следующую команду и ее выполнение;

4) постоянно синхронизирует работу всех устройств, имеющих разную скорость выполнения операций, с помощью приостановки выполнения программы.

Рассмотрим принципы фон Неймана:

Принцип однородности памяти

Принципиальное отличие принстонской архитектуры от гарвардской. Все команды и данные могут хранится в одной памяти и внешне они в памяти неразличимы.

Распознавать их можно лишь по способу применения; то есть одно и то же значение в памяти может применятся и как данные, и как команда, и как адрес лишь в зависимости от способа обращения.

Все это позволяет производить над теми командами операции и и манипуляции, что и над обычными числами, и, соответственно, может открывать ряд возможностей. [1]

Например, циклически изменяя адресную строку команды, можно обеспечивать обращение к последовательным частям массива данных. Такой метод носит название командной модификации и с позиций нынешнего программирования не приветствуется.

Полезным является следующее следствие для принципа однородности, когда все команды одной программы получаются как результат выполнения другой программы.

Такая возможность лежит в основании трансляции — перевода текста кода программы с языка высокого уровня в язык конкретно заданной вычислительной машины.

Принцип адресности [9]

Основная память структурно состоит из множества пронумерованных ячеек, причём самому процессору в обычный момент доступна всякая ячейка. Двоичные коды всех команд и данных подразделяются на единицы информации, которые называются словами, и хранятся с помощью ячеек памяти, а для их доступа используются номера соответствующих им ячеек – адреса.

Принцип программного управления

Любые вычисления, предусмотренные алгоритмом для решения задачи, должны представляться в виде программы, что состоит из последовательности специальных управляющих слов – команд. Каждая из команд предписывает некоторую операцию по набору операций, реализуемых конкретной вычислительной машиной. [12]

Все команды программы хранятся в соседних ячейках памяти рассматриваемой вычислительной машины и реализуются в естественной последовательности, а именно в порядке их расположения в программе.

Также при необходимости, и при помощи специальных команд, эта построенная последовательность может быть измененной. Решение о изменении порядка выполнения разных команд программы принимается или на основании анализа всех результатов предшествующих вычислений, или безусловно.

Принцип двоичного кодирования

Стоит отметить, что согласно этому принципу, все данные и команды, кодируются специальными двоичными цифрами 1 и 0. Каждый тип данных представляется двоичной последовательностью, а также имеет свой формат.

Все последовательность битов в форматах, имеющие определенный смысл, называется полем. [11]

В числовых данных обычно выделяют знаковое поле и поле значащих разрядов.

В форматах команд в простейшем случае выделяют два поля, а именно:

– поле кода операции;

– поле адресов.

В 1947 г. фон Нейман начал разработку новой машины, а в 1950 году была построена электронная машина для обработки дискретных переменных "ЭДВАК", что впоследствии была названа первым компьютером (рис.3).

Рисунок 3 – ЭВМ «ЭДВАК»

Норберт Винер, работая вместе с фон Нейманом, обратил свое внимание на то, что все процессы, которые управляют сложной системой, аналогичны процессам с нейрофизиологии, изучающей деятельность живых существ. Сбережение работоспособности таких систем может достигаться за счет обратной связи, которая позволяет отслеживать или корректировать уже начатое, и еще до конца не законченное действие.

Существование такой обратной связи позволяет рассмотреть сложные системы разной природы - социальной, физической, биологической - с единой точки зрения. [2]

Таким образом появилась кибернетика. В 1949 г. вышла книга Н. Винера "Кибернетика, или Управление и связь в живом мире и машинах". Сам термин "кибернетика" в переводе с греческого обозначает искусство для управления кораблем.

Под кибернетикой на сегодняшний день понимают множество научных дисциплин, изучающих законы управления, взаимосвязей, действующие в системах самой различной природы.

1.2. История создания первых ЭВМ

История вычислительной техники взяла начало тогда, когда сформировались понятия числа. Почти во всех языках слово "цифра" произошло от слова "палец". [2]

Именно пальцы стали самой первой "вычислительной машиной". На пальцах складывали, вычитали и умножали довольно большие числа между собой. Знаменитый ученный Фибоначчи в 1285 г. рекомендовал всем учить счет на пальцах.

Одним из первых изобретений был абак (рис.4).

Рисунок 4 – Абак

Задача считалась решенной, если было указано, какие необходимые вычисления можно произвести на абаке.

Алгоритм решения на абаке подробно разрабатывался французским ученым Гербертом, который впоследствии был избран папой римским Сильвестром II.

В начале XVII века появились первые механические устройства и машины для счета:

– 20-е годы: математик Вильям Оутред создал логарифмическую линейку(рис.5);

Рисунок 5 – Логарифмическая линейка

– 1632 г.: ученый В. Шиккард сконструировал первый счетный механизм;

– 1643 г.: французский математик Блез Паскаль создал счетную машину, что могла складывать и вычитать числа;

– 1673 г.: немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц сконструировал арифмометр, который выполнял четыре арифметических действия.

В первой половине 14 века англичанин Чарльз Бэббидж разработал конструкцию машины, что можно было назвать первым компьютером. Он не был построен, поскольку машина должна быть механической, а необходимая точность при изготовлении деталей для такой машины в середине 14 века была недостижимой.

Устройство компьютера по найденным чертежам Бэббиджа было написано Августой Адой Лавлейс. Она и разработала теорию программирования, также написала несколько программ для пока не существующей вычислительной машины.

Основные части первого компьютера были такими же, что и для любой современной ЭВМ, а именно:

– устройство для ввода-вывода данных;

– запоминающее устройство, способное сохранить исходные данные и результаты;[8]

– арифметико-логическое устройство, которое выполняет арифметические и логические команды;

– устройство управления, которое руководит перемещениями со данных и работой процессора и обеспечивающее выполнение разных нужных действий по заданной программе в нужном порядке.

В первом разделе рассмотрены основные теоретические основы построения архитектуры ПК, описаны принципы фон Неймана, приведена краткая история создания первых ЭВМ.

2. Устройство персонального компьютера

2.1. Устройства обработки информации

Персональные компьютеры, что знакомы большинству людей, являются вовсе не единственным типом для вычислительных машин. Обычно компьютеры классифицируют в разрезе по производительности и по способу использования.

Рассмотрим один из наибольших классов компьютеров – персональные компьютеры.

Различают портативные (ноутбуки) и стационарные персональные компьютеры.

Для персональных компьютеров обязательным является наличие монитора, ряда иных периферийных устройств.

В системном блоке ПК находятся следующие его компоненты:

– системная плата;

– микропроцессор;

– различная память (жесткий диск, ОЗУ);

– периферийные устройства ввода-вывода данных;

– интерфейсы для периферийных устройств и прочие компоненты.

ПК хорошо расширяемы. Легко к ним подключаются различные дополнительные приспособления или модернизируются имеющиеся. На персональные компьютеры также можно устанавливать широкий перечень различного программного обеспечения.

Раздельная схема – на противоположность моноблочной — предполагает, что такие ПК состоят из системного блока, разнообразных внешних, конструктивно самостоятельных подключаемых устройств (например, мониторы, мышь, микрофоны, клавиатура, громкоговорители, принтеры, сканеры, веб-камеры, различные внешние модемы и игровые устройства).[3]

Процессор - это основная микросхема ПК, его "мозг". Он может разрешить выполнять программный код, который находится в памяти и может руководить работой всех устройств ПК (рис.6).

Чем выше быстрота работы процессора, тем более увеличивается быстродействие компьютера. [7]

Рисунок 6 – Процессор

Сам процессор имеет ячейки, которые называют регистрами. Именно в таких регистрах помещаются все команды, которые могут выполнятся процессорами, а также данные, что оперируются командами. Работа процессора состоит в том, чтобы выбрать из памяти в нужной последовательности данных и команд и их выполнить. На этом и основывается выполнение программных продуктов.