Файл: Технологии программирования (Архитектура и структура персонального компьютера).pdf

Персональный компьютер является не одним электронным аппаратом, а небольшим комплексом взаимодействующих устройств, которые выполняют определенную функцию. Зачастую определение "конфигурация ПК" говорит о том, что данный компьютер может работать с различным набором периферийных устройств, например, модемом, принтером или сканером.

Эффективность применения персонального компьютера в значительной степени определяется составом и типом внешнего устройства, которое можно применять в его составе. Внешнее устройство обеспечивает взаимосвязь пользователя с персональным компьютером. Обширная номенклатура периферийных устройств, многообразие технико-эксплуатационной и экономической характеристики дает возможность человеку выбирать такую конфигурацию персонального компьютера, которая в значительной степени соответствует его потребности и обеспечивает рациональное решение его задач.

Слово «компьютер» означает «вычислитель». Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно. В настоящее время индустрия производства компьютеров и программного обеспечения является одной из наиболее важных сфер экономики развитых и развивающихся стран.

Причины стремительного роста индустрии персональных компьютеров: невысокая стоимость; сравнительная выгодность для многих деловых применений; простота использования; ü возможность индивидуального взаимодействия с компьютеров без посредников и ограничений; высокие возможности по переработке, хранению и выдаче информации; высокая надежность, простота ремонта и эксплуатации; возможность расширения и адаптации к особенностям применения компьютеров; ü наличие программного обеспечения, охватывающего практически все сферы человеческой деятельности, а также мощных систем для разработки нового программного обеспечения. Мощность компьютеров постоянно увеличивается, а область их применения постоянно расширяется. Компьютеры могут объединяться в сети, что позволяет миллионам людей легко обмениваться информацией с компьютерами, находящимися в любой точке земного шара.

Целью данной работы является изучение строения персонального компьютера.

Задачи:

Рассмотреть устройства ввода информации в компьютер .
Рассмотреть устройства вывода информации.
Рассмотреть устройства, позволяющие вводить и выводить информацию.

1 Архитектура и структура персонального компьютера

1.1 Структура ЭВМ. Основные элементы ПК

По расположению устройств компьютерной системы их делят на внешние и внутренние. Внешние устройства, их так же называют периферийные, подключаются к системному блоку с помощью кабелей и разъемов. Внутренние располагаются внутри системного блока. Как правило, внешние устройства служат для ввода и вывода информации, а внутренние для ее хранения и обработки.

Системный блок - это основной блок, который содержит самые главные части компьютера внутренние:

· системную или материнскую плату;

· блок питания

· жесткий диск - винчестер

· дисководы (для дискет, компакт-дисков)

Внешние устройства:

Клавиатура - устройство для ввода информации в системный блок

Монитор - устройство для отображения информации

Кроме того, в состав ПК входят манипулятор “мышь”, принтер, джойстик, динамики, модем, сканер и т.п.

Все компьютерные устройства, во-первых, питаются от электрической сети с помощью силового кабеля. (Обычно любое оборудование периферии имеет свой силовой кабель, кроме клавиатуры и мыши. Клавиатура и мышь получают питание непосредственно от системного блока) Во-вторых, обмениваются информацией в виде электрических импульсов, с помощью сигнального кабеля. Сетевой кабель - это сигнальный кабель, соединяющий компьютер с другими компьютерами.

При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру.

Архитектура ЭВМ - это общее описание структуры, ресурсов и функций ЭВМ.

Наиболее распространены следующие архитектурные решения:

Классическая архитектура фон Неймана: (разработана в 1945 году Джоном фон Нейманом, на ее основе строились первые ЭВМ)

Устройства ввода служат для занесения в оперативную память ЭВМ как текста программы, так и всех исходных данных.

Процессор - устройство, осуществляющее обработку информации:

Устройство управления (УУ) обеспечивает координацию действий всех узлов машины в соответствии с программой.

Арифметико-логического устройство (АЛУ) выполняет все арифметические и логические операции.

Оперативная память служит для хранения выполняемой программы и основной части обрабатываемой информации.

1.2 Устройство современного компьютера

Распространение персональных компьютеров к концу 70-х годов привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и мини-ЭВМ. Это серьезно беспокоило руководство фирмы IBM (International Business Machines Corporation) - ведущей компании по производству больших ЭВМ. И в 1979 г. фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров. Однако руководство фирмы недооценило будущую важность этого рынка, рассматривая создание компьютера всего лишь как мелкий эксперимент. Чтобы не тратить на этот эксперимент много средств, руководство фирмы разрешило подразделению использовать блоки, изготовленные другими фирмами. Фирма IBM сделала компьютер не единым неразъемным устройством, а обеспечила его сборку из независимо изготовленных частей по принципу открытой архитектуры.

В современных персональных компьютерах, как правило, используется принцип открытой архитектуры. Он заключается в том, что все устройства компьютера взаимодействуют и соединяются между собой стандартным, известным образом и любой производитель, руководствуясь ими, может начать производство какого-либо устройства.

Преимущества открытой архитектуры:

· возможность выбора необходимой конфигурации компьютера

· возможность расширять и модернизировать компьютерную систему

Архитектура современных персональных компьютеров (ПК) основана на магистрально-модульном принципе. Компьютер состоит из разрозненных частей - модулей. Модулем ПК будем называть любое относительно самостоятельное устройство компьютера (процессор, оперативная память, контроллер, дисплей, принтер, сканер и т.д.) Для того чтобы компьютер работал как единый механизм, необходимо осуществлять обмен данными между различными устройствами, за это отвечает системная (магистральная) шина.

Системная шина осуществляет обмен информацией по трем многоразрядным шинам, соединяющим модули:

· шина данных - шина, предназначенная для передачи информации. В компьютерной технике принято различать выводы устройств по назначению: одни для передачи информации (например, в виде сигналов низкого или высокого уровня), другие для сообщения всем устройствам (шина адреса) - кому эти данные предназначены. На материнской плате шина может также состоять из множества параллельно идущих через всех потребителей данных проводников (например, в архитектуре IBM PC).Основной характеристикой шины данных является её ширина в битах. Ширина шины данных определяет количество информации, которое можно передать за один такт.

· шина адресов - компьютерная шина, используемая центральным процессором или устройствами, способными инициировать сеансы DMA, для указания физического адреса слова ОЗУ (или начала блока слов), к которому устройство может обратиться для проведения операции чтения или записи. Основной характеристикой шины адреса является её ширина в битах. Ширина шины адреса определяет объём адресуемой памяти. Например, если ширина адресной шины составляет 20 бит, и размер слова памяти равен одному байту (минимальный адресуемый объём данных), то объём памяти, который можно адресовать, составляет 220 = 1 048 576 байтов (1 МБайт) как в IBM PC/XT. С точки зрения архитектуры микропроцессорной системы, если не применять мультиплексирование, каждый бит в адресе определяется одним проводником (линией) в магистрали, по которой передаётся адрес. Если рассматривать структурную схему микро-ЭВМ, то адресная шина активизирует работу всех внешних устройств по команде, которая поступает с микропроцессора.

· шина управления (инструкций).

Центральные устройства подсоединены к шине непосредственно, а периферийные - через устройства сопряжения (контроллеры или адаптеры)

Системная или материнская плата - это основная электронная плата в компьютере. На ней обычно располагается:

Центральный процессор и сопроцессор

Центральный процессор (микропроцессор) - CPU (Central Processing Unit), он управляет работой всех узлов ПК и программой, описывающей алгоритм решаемой задачи. МП имеет сложную структуру в виде электронных логических схем. В качестве его компонент можно выделить два основных блока:

АЛУ - арифметико-логическое устройство, предназначенное для выполнения процесса вычислений;

ЦУУ - центральное устройство управления - устройство, обеспечивающее управление всеми процессами в компьютере.

Для расширения возможностей ПК и повышения функциональных характеристик микропроцессора дополнительно может поставляться математический сопроцессор, служащий для расширения набора команд МП. Например, математический сопроцессор IBM-совместимых ПК расширяет возможности МП для вычислений с плавающей точкой; сопроцессор в локальных сетях (LAN-процессор) расширяет функции МП в локальных сетях.

Самой важной характеристикой процессора является его быстродействие (производительность, тактовая частота) - количество операций, выполняемых в секунду. Посредством выработки и передачи другим его компонентам управляющих импульсов, поступающих от кварцевого тактового генератора, который при включении ПК начинает вибрировать с постоянной частотой (100 МГц, 200-400 МГц и выше). Эти колебания и задают темп работы всей системной платы;

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) - RAM - Random Access Memory - это запоминающее устройство, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и временного хранения выполняемых программ и данных. ОЗУ обеспечивает хранение информации лишь в течение сеанса работы с ПК - после выключения компьютера из сети данные, хранимые в ОЗУ, теряются безвозвратно, то есть ОЗУ - энергозависимое устройство. Существуют следующие размеры оперативной памяти 256 МБ, 512 МБ, 1 ГБ и 2 ГБ.

Кэш-память или сверхоперативная память. Скорость обработки информации центральным процессором уже так высока, что современные устройства ОЗУ не справляются с функцией посредника между ЦП и внешней памятью. Поэтому было добавлено еще одно устройство - кэш-память - служащее посредником между ОЗУ и ЦП. Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память. В больших универсальных ЭВМ, основная память которых имеет емкость порядка 1-32 Гбайт, обычно используется кэш-память емкость 1-12 Мбайт, т.е. емкость кэш-память составляет порядка 1/100-1/500 емкости основной памяти, а быстродействие в 5-10 раз выше быстродействия основной памяти. Выбор объема кэш-памяти - всегда компромисс между стоимостными показателями ( в сравнении с ОП ) и ее емкостью, которая должна быть достаточно большой, чтобы среднее время доступа в системе, состоящей из основной и кэш-памяти, определялось временем доступа к последней. Реальная эффективность использования кэш-памяти зависит от характера решаемых задач и невозможно определить заранее, какой объем ее будет действительно оптимальным.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) - предназначено для хранения оперативной информации, обеспечивающей запуск компьютера.

Блок ПЗУ состоит из двух частей:

BIOS (Basic Input/Output System) - базовая система ввода и вывода. В ней хранится постоянная информация, заложенная на заводе-изготовителе, обеспечивающая запуск ПК.

СМOS - переменная часть ПЗУ, где хранится информация о конфигурации ПК (перечень устройств, входящих в комплект ПК и их характеристики).

После выключения питания компьютера, информация в ПЗУ сохраняется, за счет энергии от специальных автономных батарей. Таким образом, ПЗУ является энергонезависимой памятью.