Файл: Устройство персонального компьютера (Понятие компьютера).pdf

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы работы обусловлена тем, что сегодня сложно представить сферу жизни современного человека, в которой он бы не сталкивался с компьютерами. Современная вычислительная техника является одним из самых значительных достижений научной и инженерной мысли, представляет собой сложнейший продукт деятельности человека как в отношении аппаратного, так и программного обеспечения. Достижения микроэлектронной технологии позволили значительно расширить возможности современных ЭВМ. Разработка микропроцессоров привела к созданию персональных компьютеров, ставших эффективным средством повышения производительности труда инженеров, экономистов, технологов, конструкторов. За несколько десятилетий компьютеры прошли путь от оборудования, которое себе мог позволить далеко не каждый исследовательский институт, до прибора, который есть у каждого школьника (а нередко и не один – настольный компьютер дома, планшет в рюкзаке, смартфон в кармане…).

Если посмотреть на настольный компьютер с точки зрения простого пользователя, можно увидеть монитор, клавиатуру, мышь, различные периферийные устройства (принтер, сканер, микрофоны, колонки и т.д.) и системный блок (который незнающие люди как только не называют – и «процессор», и «железный ящик»). Казалось бы, ничего общего с маленьким планшетом. Однако структура этих устройств очень похожа, в ней можно выделить одни и те же блоки. В широком понимании всякая вычислительная машина рассматривается как определенный преобразователь информации. При этом под информацией понимаются различные сведения о тех или иных явлениях природы, событиях общественной жизни, хозяйственно-экономических процессах в отдельных предприятиях, отраслях и в государстве в целом.

Понимание того, из каких элементов состоит компьютер, какие характеристики этих элементов важны, нужно не только специалистам, но и простым пользователям: в настоящее время сформировалась категория так называемых пользователей, которые, не являясь профессионалами в области вычислительной техники, тем не менее успешно используют компьютеры для решения своих конкретных задач (профессиональных, учебных, а нередко и развлекательных). При выборе компьютера для дома или офиса важно понимать, на чем можно экономить, а за что имеет смысл переплатить.

Объектом исследования является персональный компьютер.

Предмет исследования – устройство персонального компьютера.

Целью работы является рассмотрение устройства компьютера. Для достижения цели необходимо решить ряд задач, в соответствии с которыми построена структура работы:

1) дать определение компьютера;

2) раскрыть понятие устройства компьютера;

3) рассмотреть классификацию компьютеров;

4) изучить логическую модель компьютера;

5) рассмотреть физическую организацию системной части компьютера;

6) проанализировать устройство периферической части компьютера.

Анализируя литературу, отметим, что, несмотря на обилие книг и статей (как печатных, так и электронных), большая их часть носит не аналитический, а сугубо прикладной характер (советы для пользователей или системных администраторов; обзоры – сравнения конкретных моделей оборудования). Другая проблема – быстрое устаревание данных. Однако использование источников даже 10-летней давности не лишено смысла: большая часть изменений касается не основополагающих принципов построения компьютера, а лишь количественных характеристик. Среди источников можно отметить ставший классическим учебник Э.Таненбаума «Архитектура компьютера», а также учебник «Организация ЭВМ и систем» Б.Я. Цилькера и С.А.Орлова.

1. Понятие устройства компьютера

1.1 Понятие компьютера

В первую очередь следует определить соотношение понятий «компьютер» и «ЭВМ» («электронно-вычислительная машина»).

Слово «computer», появившееся в английском языке в начале XVII века, имело значение «занимающийся вычислениями человек». К концу XIX века это слово приобрело второе значение - «машина-вычислитель». В середине XX века, в соответствии с эволюцией техники, первое значение было вытеснено вторым.

Аббревиатура ЭВМ (точнее, изначально ЭСМ – «электронная счётная машина») появилась в 1940-х в СССР, т. е. приблизительно в то же время, когда в английском языке за словом computer закрепилось значение машины-вычислителя [12., С.7]. Однако изначально сокращение ЭВМ подразумевало не любую машину, как computer (цифровую, аналоговую, гибридную), а электронную. Вплоть до конца 1980-х из политических соображений (из-за «железного занавеса») в русском языке употреблялось только слово ЭВМ, которым с разными приставками обозначали и «большие» ЭВМ, и мини-, и микро-ЭВМ.

После перестройки в СССР начались массовые поставки персональных компьютеров; вместе с поставками в русском языке укоренилось слово «компьютер». В современном русском языке слова компьютер и ЭВМ обозначают одно и то же.

Существует множество самых различных определений терминов «компьютер» («вычислительная машина» - ВМ) и «вычислительная система» (ВС).

Причина такой терминологической неопределенности кроется в невозможности дать удовлетворяющее всех четкое определение, достойное роли стандарта. Приведем несколько определений терминов «вычислительная машина» и «компьютер», взятых из различных литературных источников. Итак, вычислительная машина - это:

1. Устройство или система, способное выполнять заданную, чётко определённую изменяемую последовательность операций. Это чаще всего операции численных расчётов и манипулирования данными, однако сюда относятся и операции ввода-вывода [20., С.307].

2. Комплекс технических средств, где основные функциональные элементы (логические, запоминающие, индикационные и др.) выполнены на электронных элементах, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач [1., С.800].

3. Функциональный блок, способный выполнять реальные вычисления, включающие множественные арифметические и логические операции, без участия человека в процессе этих вычислений.

4. Устройство, способное:

• хранить программу или программы обработки и по меньшей мере информацию, необходимую для выполнения программы;
• быть свободно перепрограммируемым в соответствии с требованиями пользователя;
• выполнять арифметические вычисления, определяемые пользователем;
• выполнять без вмешательства человека программу обработки, требующую изменения действий путем принятия логических решений в процессе обработки [3., С.5].

Термином «компьютер» обозначается комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей. Вычислительная система — совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или вычислительных машин, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенная для подготовки и решения задач пользователей.

Принципы, сформулированные Джоном фон Нейманом и лежащие в основе большинства современных компьютеров (имеющих так называемую «традиционную» архитектуру), можно представить следующим образом:

1. Принцип программного управления. Компьютер управляется программой, состоящей из команд, каждая из которых осуществляет единичный акт преобразования информации.

После ввода программы и данных в память компьютер работает автоматически, выполняя команды без вмешательства человека. Для этого компьютер всегда "помнит" адрес выполняемой команды, а каждая команда содержит (явное или неявное) указание об адресе команды, которую следует выполнять за ней.

2. Принцип условного перехода. Программа может содержать команды условного перехода, обуславливающие возможность перехода на тот или иной участок программы в процессе вычислений в зависимости от полученных промежуточных результатов. Это позволяет легко организовывать в программе циклы и осуществлять автоматический выход из них.

3. Принцип хранимой программы. Команды программы представляются числовыми кодами и хранятся в памяти компьютера точно так же, как исходные данные. Поскольку вся программа или ее часть хранится в оперативной памяти, то над ее командами можно выполнять различные операции. В частности, в команде, как правило, указываются не сами данные, над которыми нужно выполнять арифметические действия, а адреса ячеек памяти, где эти данные хранятся. Это обуславливает возможность вычисления и преобразования адресов ячеек, благодаря чему компьютер может (по заданной программе) подготавливать команды, которые сам же и выполняет. Другими словами, программа в общем случае обладает свойствами динамичности и самомодификации.

4. Принцип использования двоичной системы счисления. Информация (программы и данные) в компьютере представляется и обрабатывается в двоичном виде.

5. Принцип иерархичности запоминающих устройств. Все запоминающие устройства компьютера имеют иерархическую организацию, представленную регистрами, оперативной памятью, жесткими дисками и т.д. Следует отметить, что запоминающие устройства перечислены в порядке уменьшения скорости доступа к хранящимся в них данным и возрастания объемов хранения [17., С.15].

Таким образом, формально отличие ВС от ВМ выражается в количестве вычислителей. Множественность вычисли гелей позволяет реализовать в ВС параллельную обработку. С другой стороны, современные вычислительные машины с одним процессором также обладают определенными средствами распараллеливания вычислительного процесса. Иными словами, грань между ВМ и ВС часто бывает весьма расплывчатой, что дает основание там, где это целесообразно, рассматривать ВМ как одну из реализаций ВС. И напротив, вычислительные системы часто строятся из традиционных ВМ и процессоров, поэтому многие из положений, относящиеся к ВМ, могут быть распространены и на ВС.

1.2 Понятие устройства компьютера

Архитектурой вычислительной машины как правило называют логическое построение компьютера, т.е. то, как машина представляется программисту (без анализа деталей технической реализации). Впервые этот термин (computer architecture) употребила фирма IBM при разработке машин семейства IBM 360. Этим термином описывались те средства, которые может использовать программист в ходе составление программ на уровне машинных команд. Подобная трактовка называется «узкой»; она охватывает формы представления данных, перечень и формат команд, способы адресации памяти, механизмы ввода/вывода и т.п. Не попадают в рассмотрение вопросы физического построения вычислительной машины: состав устройств, емкость памяти, число регистров процессора, тактовая частота центрального процессора, наличие специального блока для обработки вещественных чисел и т.д. Эти вопросы принято определять понятием «структурная организация» или просто «организация». Архитектура и организация представляют собой две стороны описания вычислительной техники. В дальнейшем будем пользоваться термином «устройство» в «широком» толковании, объединяющем как архитектуру в узком смысле, так и организацию компьютера.

Вычислительная машина как законченный объект являет собой плод усилий специалистов в самых различных областях человеческих знаний. Каждый специалист рассматривает вычислительную машину с
позиций стоящей перед ним задачи, абстрагируясь от несущественных, по его мнению, деталей.

В принципе уровней детализации может быть достаточно много, однако сложившаяся практика ограничивает их число четырьмя уровнями.

Первый уровень характеризуется рассмотрением вычислительной машины как устройства, которое способно хранить и обрабатывать информацию, а также обмениваться данными с внешним миром. Компьютер представляют «черным ящиком», который способен быть подключенным к коммуникационной сети и к которому, в свою очередь, можно подсоединить периферийные устройства.

На втором уровне - уровне общей архитектуры - предполагается представление компьютера в виде совокупности четырех составляющих: центрального процессора (ЦП), основной памяти (ОП), устройства ввода/вывода (УВВ) и системы шин.

Третий уровень характеризуется детализацией каждого из устройств второго уровня. Рассмотрим, например, центральный процессор. В простейшем варианте в нем могут быть выделены: