Файл: Устройство персонального компьютера (Понятие компьютера).pdf

• регистры процессора, использующиеся для краткосрочного хранения команд, данных и адресов;
• арифметико-логическое устройство (АЛУ), обеспечивающее обработку целых чисел;
• блок обработки чисел в формате с плавающей запятой (БПЗ);
• устройство управления (УУ), обеспечивающее совместное функционирование устройств ВМ;
• внутренние шины.

Четвертый уровень характеризуется детализацией элементов третьего уровня. Так, к примеру, устройство управления может быть представлено как совокупность четырех составляющих:

• регистров и дешифраторов устройства управления;
• управляющей памяти;
• логики программной последовательности - электронных схем, обеспечивающих выполнение команд программы в последовательности, предписываемой программой;
• логики формирования управления, генерирующей все необходимые управляющие сигналы.

1.3 Классификация компьютеров

К настоящему времени в мире уже произведены, работают и продолжают выпускаться миллионы вычислительных машин, которые могут быть отнесены к различным типам, классам; отличаются своими областями применения, вычислительными возможностями и техническими характеристиками.

Функциональными возможностями ЭВМ обусловливаются важнейшие технико-эксплуатационные характеристики:

• быстродействие, измеряемое усредненным количеством операций, выполняемых машиной за единицу времени;
• номенклатура, емкость и быстродействие всех запоминающих устройств;
• разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует ЭВМ;
• номенклатура и технико-экономические характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;
• типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов ЭВМ между собой (внутримашинного интерфейса);
• способность ЭВМ одновременно работать с несколькими пользователями и выполнять одновременно несколько программ (многопрограммность);
• типы и технико-эксплутационные характеристики операционных систем, используемых в машине;
• наличие и функциональные возможности программного обеспечения;
• система и структура машинных команд;
• способность выполнять программы, написанные для других типов ЭВМ (программная совместимость с другими типами ЭВМ);
• возможность подключения к каналам связи и к вычислительной сети;
• эксплуатационная надежность ЭВМ;
• коэффициент полезного использования ЭВМ во времени, определяемый соотношением времени полезной работы и времени профилактики [14.].

СуперЭВМ - это мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов – десятки миллиардов операций в секунду. Назначение СуперЭВМ - решение крупномасштабных вычислительных задач, обслуживание крупнейших информационных банков данных. Особенно эффективно применение суперЭВМ при решении задач проектирования, в которых натурные эксперименты оказываются дорогостоящими, недоступными или практически неосуществимыми. По сравнению с другими типами машин СуперЭВМ позволяют точнее, быстрее и качественнее решать крупные задачи, обеспечивая необходимый приоритет в разработках перспективной вычислительной техники. Дальнейшее развитие суперЭВМ связывается с использованием направления массового параллелизма, при котором одновременно могут работать сотни и даже тысячи процессоров. Использование подобных систем предполагается для исследования генов, для моделирования погоды, разработки новых видов вооружения и других крупномасштабных вычислений.

Большие ЭВМ нужны для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров (министерства, государственные ведомства и службы, крупные банки и т.д.). Примером подобных машин, а точнее, систем, служат системы, имеющие производительность на один-два порядка ниже, чем у суперЭВМ. Это очень мощные по производительности компьютеры, предназначенные для обеспечения научных исследований, построения рабочих станций для работы с графикой, Unix-серверов, кластерных комплексов и т.п. Штат обслуживания большой ЭВМ составляет до многих десятков человек.

Средние ЭВМ широкого назначения служат для управления сложными технологическими производственными процессами (банки, страховые компании, торговые дома, издательства). ЭВМ этого типа могут использоваться и для управления распределенной обработкой информации в качестве сетевых серверов. Такие машины являются основой построения вычислительных центров отдельных производств, научных лабораторий и т.п.

Персональные и профессиональные компьютеры позволяют удовлетворять индивидуальные потребности пользователей. На базе этого класса компьютеров строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов различного уровня.

Совершенствование микропроцессоров привело к созданию мощных, дружественных и малогабаритных компьютеров, вполне способных обеспечить создание мобильного офиса различного класса с ориентацией на электронную почту, передачу факсов, доступ в Интернет. Миниатюрные ноутбуки позволяют решать практически все задачи, присущие настольным ПК, они обладают теперь достаточной мощностью, расширяемостью и гибкостью.

Встраиваемые микропроцессоры осуществляют автоматизацию управления отдельными устройствами и механизмами. Успехи микроэлектроники позволяют создавать миниатюрные вычислительные устройства, вплоть до однокристальных ЭВМ. Эти устройства, универсальные по характеру применения, могут встраиваться в отдельные машины, объекты, системы. Они находят все большее применение в бытовой технике (телефонах, телевизорах, электронных часах, микроволновых печах и т.д.), в городском хозяйстве (энерго-, тепло-, водоснабжении, регулировке движения транспорта и т.д.), на производстве (робототехнике, управлении технологическими процессами).

Итак, компьютер – это устройство или система, способное выполнять заданную, чётко определённую изменяемую последовательность операций. Понятие «устройство компьютера» объединяет в себе архитектуру компьютера (логическое построение компьютера) и организацию компьютера (физическую реализацию компьютера).

Компьютеры различаются областями применения, вычислительными возможностями и техническими характеристиками. Выделяют суперЭВМ, большие ЭВМ, средние ЭВМ, персональные и профессиональные компьютеры, портативные компьютеры и встраиваемые микропроцессоры.

2. Логическая модель компьютера

Хотя современные компьютеры выглядят очень разнообразно, практически все они состоят из одних и тех же логических элементов. Эти элементы одинаковы не по физической сущности и принципам работы, а по роли в вычислительной машине, функциональному назначению.

В состав типичного компьютера входят такие части, как арифметико-логическое устройство, устройство управления, память и устройства ввода-вывода. Логическая модель, включающая в себя эти элементы, показана на рис.1.

Вторичная

память

Порты

ввода

Основная

память

Порты

вывода

Арифметико-логическое устройство

Порты

вывода

Периферийные устройства ввода

Периферийные устройства вывода

Центральный процессор

Рисунок 1 – Логическая модель компьютера

В вычислительных машинах имеются устройства для ввода данных и программ. Данные поступают из подключенных к компьютерам так называемых периферийных устройств ввода. Результаты работы выводятся, соответственно, на устройства вывода.

Сначала вся поступающая информация заносится в основную память, а затем, при возникновении необходимости в длительном хранении, переносится во вторичную память. Как правило, основная память представляет собой полупроводниковую интегральную плату, которую ещё называют «оперативным запоминающим устройством», или ОЗУ. Важная особенность основной памяти на ОЗУ - её энергозависимость. Это значит, что вся записанная информация утрачивается при отключении питания от платы [7., С.78]. Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) непосредственно взаимодействуют с АЛУ машины и хранят данные, используемые в ближайшей серии вычислений. Данные из ОЗУ обычно извлекаются определенными порциями, поэтому ОЗУ разбивается на отдельные ячейки, каждая из которых служит для хранения двоичного кода определенной разрядности. Все ячейки ОЗУ пронумерованы. Номера ячеек памяти являются адресами данных, хранящихся в них. При считывании данных из ячейки ОЗУ ее содержимое либо сохраняется, либо при необходимости восстанавливается и может быть в дальнейшем получено из той же ячейки. При записи в ОЗУ хранящиеся в ячейке памяти данные
стираются и их место занимают новые.

Тесное взаимодействие с АЛУ предъявляет повышенные требования к быстродействию оперативного ЗУ, поскольку оно непосредственно влияет на скорость работы ЭВМ в целом. Современные ОЗУ характеризуются достаточно высоким быстродействием, цикл обращения к ним составляет доли микросекунды. Однако в быстродействующих ЭВМ даже такая скорость работы ОЗУ может оказаться недостаточной. В этом случае в состав ЭВМ включают так называемые сверхоперативные запоминающие устройства (СОЗУ) незначительного объема. Обычно в качестве СОЗУ используется внутренняя регистровая память процессора, выполненная на тех же электронных компонентах, что и АЛУ ЭВМ.

В составе ЭВМ используется также еще один вид внутренней памяти — постоянные запоминающие устройство (ПЗУ), используемые для хранения различных констант и постоянных программ. Данные в ПЗУ
записываются однократно, обычно в процессе изготовления устройства, а в дальнейшем только считываются без разрушения. Если занесение данных в ПЗУ производится в эксплуатационных условиях, то такие ПЗУ называются программируемыми постоянными запоминающими устройствами (ППЗУ) [13., С.7].

Для целей постоянного хранения информации в современных персональных компьютерах применяют упомянутую выше вторичную память, как правило, представляющую собой совокупность магнитных дисков. Вторичная память является энергонезависимой, поддерживает как чтение, так и запись. Однако скорость этих операций существенно ниже, чем в первичной памяти [21., C.38].

За организацию автоматического выполнения программ и согласованность остальных элементов компьютера отвечает такая часть, как устройство управления. Среди функций устройства управления можно выделить генерацию и подачу в определённые моменты времени управляющих сигналов на управляемые устройства. Управляющие сигналы могут служить для переключения между режимами работы устройств, сигнализации об исключениях, сбоях, организации фактов пересылки информации, вызова программ, команд и данных из памяти и т.д.

Важнейшая часть вычислительной машины – это арифметико-логическое устройство (АЛУ), основная функция которого состоит в генерации по определённому закону выходного сигнала из нескольких входных сигналов. Таким образом, АЛУ обеспечивает выполнение одной логической или арифметической операции в единицу времени. Арифметической операцией называют процедуру обработки данных, аргументы и результат которой являются числами (сложение, вычитание, умножение, деление). Логической операцией именуют процедуру, осуществляющую построение сложного высказывания (операции И, ИЛИ, НЕ) [11., С.148]. В процессе выполнения операции генерируется множество вспомогательных сигналов, цель которых - охарактеризовать полученный результат, сообщить об ошибке выполнения операции. Основываясь на эти сигналы, устройство управления выбирает дальнейшую последовательность действий по заданным законам. Далее инициируется очередное арифметическое или логическое действие для АЛУ – цикл замыкается. Такой цикл принято называть тактом [21., С.39].

Совокупность арифметико-логического устройства и устройства управления часто называют центральным процессором (ЦП). Следует отметить, что в состав центрального процессора также входят небольшие ячейки памяти, позволяющие временно хранить результат выполнения операций. Как правило, время хранения в этих ячейках не превышает нескольких тактов. Эти ячейки называются регистрами.

Специфический элемент современного персонального компьютера - это таймер. Устройство, имеющее автономное питание от батарейки, обеспечивает возможность получения в каждый момент времени текущей даты и времени (год, месяц, день, час, минуты, секунды, миллисекунды).

Кроме центральной части в состав ЭВМ входят также различные периферийные устройства (ПУ), которые по своему назначению делятся на две группы:

• устройства внешней памяти, предназначенные для хранения больших информационных массивов;
• устройства ввода-вывода, обеспечивающие связь ЭВМ с внешней средой, в том числе с пользователями, путем ввода в ЭВМ и вывода из ЭВМ данных, их регистрации и отображения.