Файл: Устройство персонального компьютера ( Магистрально-модульный принцип построения компьютера ).pdf

ВВЕДЕНИЕ

Компьютер - машина для проведения вычислений, ввода, вывода, хранения и передачи информации.

При помощи вычислений компьютер способен обрабатывать информацию по заранее определённому алгоритму. Кроме того, компьютер при помощи программного обеспечения способен принимать, хранить и осуществлять поиск информации, выводить информацию на различные виды устройств вывода. Своё название компьютеры получили по своей основной функции — проведению вычислений. В настоящее время функция вычислений для компьютеров становится второстепенной, и большинство компьютеров используются для обработки и управления информацией, а также игр.

Выполнение поставленных перед ним задач компьютер может обеспечивать при помощи перемещения каких-либо механических частей, движения потоков электронов, фотонов, квантовых частиц или за счёт использования эффектов от любых других хорошо изученных физических явлений.

Термин «компьютер» является синонимом аббревиатуры «ЭВМ» (электронной вычислительной машины).

После появления персональных компьютеров, термин ЭВМ в последствие практически вытеснен из употребления и заменен более удобным термином «компьютер»^[1].

Архитектура компьютеров может непосредственно моделировать решаемую проблему, максимально близко (в смысле математического описания) отражая исследуемые физические явления. Так, электронные потоки могут использоваться в качестве моделей потоков воды при моделировании дамб или плотин. Подобным образом сконструированные аналоговые компьютеры были обычны в 1960-х годах, однако сегодня стали достаточно редким явлением.

В большинстве современных компьютеров проблема сначала описывается в понятном им виде, при этом вся необходимая информация представляется в двоичной форме (в виде единиц и нулей), после чего действия по её обработке сводятся к применению простой алгебры логики. Поскольку практически вся математика может быть сведена к выполнению булевых операций, достаточно быстрый электронный компьютер может быть применим для решения большинства математических задач (а также и большинства задач по обработке информации, которые могут быть легко сведены к математическим).

Было обнаружено, что компьютеры всё-таки не могут решить любую математическую задачу. Впервые задачи, которые не могут быть решены при помощи компьютеров, были описаны английским математиком Аланом Тьюрингом. Результат выполненной задачи может быть представлен пользователю при помощи различных устройств ввода-вывода информации, таких, как ламповые индикаторы, мониторы, принтеры, проекторы и т. п. В этом и заключается актуальность данной работы.

---

Цель данной работы является охарактеризовать устройства управления компьютером.

На основании данной цели были предложены к решению следующие задачи:

• рассмотреть основные определения обработки информации в персональном компьютере;
• проанализировать организацию и управление устройствами компьютера.

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ КОМПЬЮТЕРА

1.1. Магистрально-модульный принцип построения компьютера

Компьютер – это универсальное техническое средство для работы с информацией.

Универсальность (многофункциональность) его состоит в том, что компьютер предназначен для автоматизации основных информационных процессов: передачи, хранения и обработки информации.

В некоторых определениях подчеркивается, что компьютер – это электронный прибор, электронное устройство. Действительно, основой его конструкции являются электронные элементы и электронные схемы, т.е. на сегодняшний день компьютер – электронное по своей конструкции устройство. Но в будущем возможны иные технические решения (например, оптические вычислительные машины, биоэлектронные устройства). Однако и в этом случае подобное устройство будет предназначено для работы с информацией.

Компьютер – это программно-управляемое устройство, т.е. он работает автоматически, без участия человека, но по составленной человеком программе, которая управляет всеми действиями компьютера.

Важным для понимания устройства и принципов работы компьютера является понятие архитектуры.

Архитектура компьютера – это общее описание его структуры и функций, достаточное для понимания принципов работы и системы команд компьютера, но скрывающее детали его технического и физического устройства^[2].

Архитектурное описание компьютера опирается на его структурную схему, т.е. описание того, какие устройства компьютера можно выделить в соответствии с их назначением (функциями), каковы способы их соединения и обмена информацией между ними.

В 1945 году американский ученый Джон фон Нейман опубликовал статью, где изложил основные принципы архитектуры ЭВМ, на которых базируется большинство современных и ранее разработанных компьютеров – их архитектура называется неймановской.

---

Джон фон Нейман родился в 1903 году в Будапеште, работал в Австрии, Германии, США (с 1930 года). Блестящий математик, химик, отличался необычайной широтой научных интересов. Работал с Д.Моучли и П.Эккертом (создателями первой ЭВМ ЭНИАК) над проектом ЭДВАК – автоматической вычислительной машиной с дискретными переменными.

В состав компьютера входят

• орган арифметики и управления (процессор);
• орган памяти;
• орган связи с внешним миром (устройства ввода и вывода).

В настоящее время наиболее распространенным типом ЭВМ является персональный компьютер – малогабаритная ЭВМ, предназначенная для индивидуальной работы пользователя, оснащенная удобным для него (дружественным) программным обеспечением и удовлетворяющая требованиям универсальности приложения.

Рассмотрим основные блоки ЭВМ и их функции на примере персонального компьютера.

Процессор – центральный блок компьютера, предназначенный для обработки информации и управления работой компьютера в целом.

Конструктивно процессор представляет собой микросхему (или блок микросхем)^[3].

Микросхема (интегральная схема) – сложная электронная схема, образованная большим количеством электронных элементов, сформированных на поверхности кристалла кремния (или другого полупроводника).

В зависимости от плотности упаковки элементов различают малые, средние, большие и сверхбольшие интегральные схемы.

Процессор, выполненный в виде одной или нескольких больших интегральных схем, называется микропроцессором.

Функции процессора предполагают наличие в его составе двух устройств, отвечающих за выполнение каждой из них:

• арифметико-логическое устройство (АЛУ) – предназначено для обработки информации, выполнения арифметических и логических операций над данными;
• устройство управления (УУ) – управляет работой компьютера (формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные управляющие сигналы).

Основное предназначение памяти – хранение информации. Различают внутреннюю и внешнюю память компьютера.

Внутренняя память, как и процессор, реализуется в виде микросхем. Главным ее достоинством является высокая скорость обмена сигналами с процессором, что обеспечивает быстрый доступ к хранимой информации. В то же время емкость внутренней памяти ограничена и невелика в сравнении с емкостью внешних носителей информации.

В составе внутренней памяти выделяют оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)^[4].

---

Оперативная память предназначена для хранения информации, с которой компьютер работает в данный момент: исполняемая программа (или несколько программ) и данные, с которыми она работает. Информацию можно записать в оперативную память или прочитать из нее. Оперативная память зависит от источника питания, ее содержимое исчезает при его отключении (энергозависимость).

Постоянная память предназначена для хранения информации, к которой необходим быстрый доступ, но нет возможности (и нецелесообразно) с каждым новым включением загружать ее в ОЗУ. Такая информация записывается в постоянную память только раз в заводских условиях и в дальнейшем может быть только прочитана.

Внешняя память компьютера представлена накопителями на магнитных барабанах и лентах (сейчас они уже ушли в историю), на магнитных и оптических дисках. Магнитные ленты и диски, оптические и магнитооптические диски называют внешними носителями информации. Для чтения информации с диска и записи ее на диск применяется специальное устройство – дисковод. Различают гибкие магнитные диски (дискеты, флоппи-диски) и жесткие магнитные диски (винчестеры).

Устройства ввода, вывода и обмена данными предназначены для обмена информацией между компьютером и окружающим миром (в том числе человеком или другим компьютером).

К основным устройствам ввода относятся клавиатура, манипуляторы (мышь, джойстик, трекбол), сканеры, видеокамеры, датчики измерительных приборов и т.д.

Основные устройства вывода: монитор, принтер, графопостроитель, исполнительные механизмы, синтезаторы звука и речи и др.

Особо следует выделить устройства обмена информацией, которые выполняют одновременно и функцию ввода, и функцию вывода. К таким устройствам относится модем – устройство, предназначенное для обмена информацией между удаленными компьютерами.

Для персональных компьютеров характерным является магистральный тип архитектуры. Связь и обмен информацией между устройствами осуществляется посредством магистрали^[5].

Магистраль (иначе называемая системная шина, или общая шина) – совокупность проводников, по которым происходит передача данных и управляющих сигналов между устройствами компьютера.

Проводники магистрали объединены в группы, отвечающие за передачу информации и определенного характера:

• шина данных служит для передачи обрабатываемых данных;
• шина адреса служит для передачи адресов ячеек внутренней памяти, где хранятся исходные или результирующие данные, или адресов внешних устройств, к которым обращается процессор;
• шина управления служит для передачи управляющих сигналов во все блоки компьютера.

---

Вся информация, передаваемая по магистрали (данные, адреса, управляющие сигналы), представлена в двоичном алфавите в виде последовательностей нулей и единиц. Им соответствуют последовательности электрических импульсов (сигналов). Используются сигналы с напряжением до 5В – таким сигналом кодируется единица, и сигналы с напряжением 0-0.5В (напряжение практически равно нулю, сигнал отсутствует) – таким сигналом кодируется нуль. Таким образом, последовательности электрических сигналов нулевого и ненулевого напряжения несут информацию, представленную в двоичном коде.

Схематически архитектура неймановского компьютера магистрального типа может быть представлена так (Рис.1).

Устройства

ввода

Устройства

вывода

Накопители на лентах и дисках

Внешняя

Внутренняя

ОЗУ

ПЗУ

П

А

М

Т

Я

Ь

Процессор

АЛУ

уу

Магистраль:

шина данных

шина адреса

шина управления

Рис.1 - Архитектура неймановского компьютера магистрального типа

Устройства ввода и вывода вместе с устройствами внешней памяти называют внешними устройствами.

Компоненты, архитектуры компьютера конструктивно объединяются в определенные единицы оборудования – блоки. Рассмотрим базовый состав оборудования персонального компьютера. Он включает системный блок, клавиатуру, мышь, монитор, принтер. Могут быть подключены и другие внешние устройства.

Системный блок – это основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты^[6].

Основным устройством системного блока является материнская плата. Она представляет собой пластмассовую пластину, на которой размещаются микросхемы, соединенные с помощью пайки или пружинных контактов. На материнской плате размещаются процессор, микросхемы оперативной и постоянной памяти, шины магистрали, разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты), видео- и звуковые карты – дочерние платы, поддерживающие работу видеомонитора и звуковоспроизводящих устройств, некоторые другие блоки.

В системный блок встраивается жесткий диск (винчестер), дисководы гибких дисков и компакт-дисков (CD-ROM), некоторые вспомогательные устройства (например, вентиляторы).

Устройства, которые подключаются к системному блоку извне, называются периферийными устройствами. Часто используется термин «внешние устройства». В зависимости от контекста он может иметь двоякий смысл: устройства, внешние по отношению к процессору и внутренней памяти (с этой позиции жесткий диск, например, рассматривается как внешнее устройство), и устройства, внешние по отношению к системному блоку (тогда, жесткий диск в качестве внешнего устройства рассматривать не следует).

---