Архитектура современной вычислительной техники. Элементы организации основных блоков компьютера

В настоящее время невозможно найти сферу деятельности человека где не используется компьютер. Компьютер используется как в бизнесе, так и в науке, обучений, медицине, производстве, торговле, быту, музыке итд.

Современная история техники вычисления начинается с 1943 года появления машины «Марк-1» Горварда Айкена на электромагнитном реле. Тем не менее датой появления ЭВМ считается 15-ое февраля 1946-года, день запуска в работу электронного компьютера ЭНИАК Дж. Эккерта и Дж. Моучли в Пенсильванском университете США. В СССР первый высоко скоростная большая ЭВМ была создана 1952 году под руководством академика С.А. Лебедева.

Компьютер – устройство предназначенное для сбора, хранения, поиска, обработки информации и использования ее в числовом формате.

Минимальная конфигурация компьютера (рис 1) состоит

• системного блока,

• клавиатуры и

• монитора (дисплея).

Множество современных компьютеров можно разделить в следующие классы:

- суперкомпьютеры – машины производящие более 100 миллиона операции над числами с плавающей точкой;

- мейнфреймы - универсальные компьютеры, применяемые для решения очень сложных научно-технических задач широкого класса и очень дорогие. Их обычно используют в сети с 200-300 рабочими местами;

- серверы – компьютеры с программами операционных систем, главный компьютер в сети;

- микрокомпьютеры, к ним относятся и персональные компьютеры, центральный процессор которых изготовлен в виде микропроцессора. Персональный компьютер предназначен для одного пользователя и универсальный микрокомпьютер, управляемый одним человеком.

В истории развития различаются следующие поколения ЭВМ:

1 - поколение изготовлялись на основе электронных ламп (1946-1956). В первом компьютере ЭНИАК был использован 18 тысяч электронных ламп. Он занимал площадь в 135 м². Вес составлял 30 тонн, а потребляемая электроэнергия порядка 150 кВт;

2 - поколение использовались полупроводниковые диоды и транзисторы (1956-1964). Транзисторы резко уменьшили размеры, массу, мощность потребления и увеличила скорость и надежность. Скорость одного из быстрых компьютеров этого времени БЭСМ-6 составла 1 млн операции в секунду;

3 - поколение изготовлялись на основе интегральных схем (1964-1971). Компьютеры типа IBM-360, IBM-370, PDP-8. Например, размер последнего из них с холодильник;

4 - поколение с применением больших интегральных схем (1971- до настоящего времени). К ним относятся современные компьютеры. Скорость работы из превышает 500 МГц;

5 -поколение с применением сверх больших интегральных схем, оптических элементов (в будущем). В них могут быть использованы сверх большие интегралльные схемы, оптические и магнито-оптические элементы новейших технологий и позволяющие производить управление с помощью звука, разговора. Считается, что в нх могут быть использованы искусственный интелект и элементы, познающие звуковые и видео изображения.

Первые компьютеры общего пользования были предложены фирмой IBM в 1981 году.

По структуре различают компьютеры:

• сверхпроизводительные ЭВМ и системы (супер-ЭВМ);

• большие ЭВМ (универсальные общего пользования);

• средние ЭЕМ;

• малые ЭЕМ;

• микро-ЭЕМ;

• персональные компьютеры;

• микропроцессоры.

Настольный компьютер – Desk Top. ПК самый мощный и с большими возможностями. Устанавливантся на рабочем месте для постоянного пользования.

Настольный переносной компьютер – Desk Not. По функциональным возможностям не уступает настольным ПК, но возможности обновления ограничены. Легко переносится из одного кабинета в другой. Можно считать настольный компьютер формата NoteBookі

Переносные компьютеры – NoteBook. Их главная особенность –совместимость очень высоких функциональных возможностей с простотой переносимости. Их можно всегда носить с собой.

Конструктивно персональные компьютеры содержат следующие основные устройства : системный блок, клавиатура, монитор, принтер и др.

Системный блок (рис 5, рис 6) основное устройство компьютерав нем располагаются все основные узлы компьютера:

- электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессор, оперативная память, контроллеры устройств, шина и т.д.);

- блок питания;

- накопители (дисководы) для гибких магнитных дисков и жесткого диска.

А. Материнская плата(рис 7).

Материнская плата (МП) является ядром системы. Она является основной частью ПК, а остальные элементы присоединяются к ней, поэтому можно считать, что материнская плата управляет всеми устройствами. При работе с компьютером все данные проходят через материнскую плату и обрабатываются. Материнская плата работает с частотой намного ниже частоты процессора, так как она состоит из совокупности множества проводников и микросхем. Рабочая частота материнской платы 100 – 200 МГц.

На материнской плате находятся:

• Процессор – основная микросхема, являющийся как бы “мозгом” компьютера;

• Микропроцессорная совокупность (чипсет) – совокупность микросхем, управляющих всеми внутренними устойствами и определяющих основные служебные возможности материнской платы;

• Шина –совокупность проводников с помощью которых внутренние устройства ПК обмениваются сигналами;

• Оперативная память – совокупность микросхем, где временно хранится информация только во время работы компьютера;

• Постоянная память –микросхема для долгого хранения информации, даже при отключении ПК;

• Разъемы (слоты) для присоединения дополнительных внутренних устойств.

Б. Микропроцессор(рис 8).Процессор (микропроцессор) небольшая электронная схема, является самым главным элементом в компьютере, управляющий работой всех блоков компьютера и обрабатывающий все данные путем выполнения над ними арифметические и логические действия.

Процессоры выполняют все действия, в том числе и вычисления, необходимые для работы программ. Чем больше скорость работы процессора, тем быстрее и скорость работы компьютера.

Скорость работы процессора определяется его тактовой частотой, измеряемой в мегагерцах (МГц). Если тактовая частота первых процессоров был не более 4,77 МГц, настоящее время у некоторых процессоров более 3 ГГц.

Следующая характеристика процессоров это измеряемая в битах, разрядность – количество информации принимаемой и обрабатываемой за один такт. У первых компьютеров не превышал 16 бит, в настоящее время порядка 32 – 64 бит.

В состав процессора входит:

• Устройство управления (УУ)– образует и отправляет управляющие импульс-сигналы, доставляемые в нужное время всем болкам компьютера;

• Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – производит арифметические и логические действия над числовыми и текстовыми данными;

• Микропроцессорная память (кэш память) – память, предназначенная для хранения, записи и передачи информации, необходимых в ближайщие такты работы процессора для поддержания быстроты его работы.

• Интерфейсная система процессора– обеспечивает взаимодействия как внутренних устройств процессора, так и взаимодействие процессора со всеми устройствами компьютера.

Процессор (микропроцессор) над начальными данными производит операции вычисления, правку, преобразования, дополнения, сокращения и другие, т. е. необходимую обработку данных в полном смысле этого слова. В целях обработки данных процессор должен выполнить бесчисленное количество арифметических и логических действии. Устройствами, выполняющими арифметико-логические действия являются конъюнктор, дизъюнктор және инвертор. На их основе выполняются достаточно сложные арифметико-логические действия.

В тех случаях, когда на компьютере приходится выполнять много математических вычислений, к основному процессору добавляют сопроцессор. Он помогает основному процессору выполнять операции над вещественными числами.

Данные непосредственно подвергающиеся обработке хранятся в микропроцессорной кэш памяти. Кэш память в 256 Кб ускоряет работу компьютера на 20%. В разных компьютерах используются Кэш память от 64 Кбайт до 512 Кбайт.

Б.Память(memory) предназначена для хранения данных и программ их обра­ботки. Различают следующие виды памяти компьютера: внутреннюю и внешнюю. Встроенная в компьютер память называется внутренней. Она разделяется на постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, или ROM — Read Only Memory), энергонезависимая память (CMOS), оперативную память (ОП, RAM — Random Access Memory), кэш-память и видео память.

Постоянно запоминающее устройство. Информация в ПЗУ не теряется и при выключении компьютера. Можно читать команды записанные в ПЗУ, но невозможно записывать информацию или команду. В ПЗУ компьютера хранит­ся базовая система ввода-вывода (BIOS), которая состоит из программы тестирова­ния памяти и периферийного оборудования компьютера, а также программы запус­ка операционной системы.

Энергонезависимая память(CMOS) информация в ней не стирается при отключении компьютера, данные в ней можно изменять и дополнять. В ней хранятся параметры различных устройств компьютера.

В. Оперативная память(рис 9).Следующим важным элементом компьютера является оперативная память. Именно из нее процессор и сопроцессор берут программы и исходные данные для обработки, в нее они записывают полученные результаты. Название "оперативная" эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память. Однако содержащиеся в ней данные сохраняются только пока компьютер включен, при выключении как правило содержимое оперативной памяти стирается. Отсюда следует, что оперативная память хранит и выдает информацию, вводимую в нее в процессе работы компьютера.

Основные характеристики оперативной памяти – информационная емкость и скорость передачи данных. В первых персональных компьютерах емкость была порядка 256 Кбайт, в настящее время измеряется в нескольких Гбайтах. Скорость передачи данных измеряется Мбайт/с или Гбайт/с.

Оперативная память в соответствии с методами доступа и адресации делится на отдельные, иногда частично или полностью перекрывающиеся области, имеющие общепринятые названия. Например, распределение емкости в 16 Мбайтной памяти показана в таблице 1.

Кэш-память это промежуточная память, служащая для обеспечения достаточной быстроты обмена информацией между оперативной памятью и процессором. Кэш память находится в теле процессора.

Видео память здесь хранится информация, которая должна появится на экране монитора

Для работы компьютера необходимо, чтобы в его оперативной памяти находилась программы и данные. А попадают они туда из различных устройств компьютера - дисководов (дисководы - устройства, предназначенные для чтения информации с накопителей и записи на них информации для хранения), клавиатуры и т.д. Результаты выполненных программ выводятся на внешние устройства - монитор, диски, принтер и т.д.

Жесткий (постоянный) диск(постоянный дисковод) или Hard disk Drive (HDD) или винчестер – это основная база данных компьютера. Емкость жесткого диска очень разнообразен и измеряется мегабайтах и гигабайтах. В настящее время емкость жесткого диска 80-500 Гбайт и более. Время доступа к информации порядка 6 мс, скорость вращения 7200 об/мин.

Жесткий дискэто одноосный один или несколько алюминевых или керамических дисков. Поэтому он имеет не n, а 2n (где n количество дисков) поверхностей. Поверхности дисков покрыты магнитным веществом, располагающимся по концентрическим окружностям-дорожкам. Дорожки разделяются на сектора. Минимальная единица размещения информации кластер занимает один или несколько рядом расположенных сегментов.

Внешняя память.Устройства внешней памяти используются для хранения и переноса информации и разделяются на дисковые и ленточные. Различают три вида дисковых носителей информации:магнитные, оптические, смешанные (магнитно-оптические). К ленточным носителям информации относятся стимеры. Информационная емкость магнитных картриджей для стимеров составляет порядка нескольких сотен.

Магнитные гибкие флоппи диски (рис 12), являющиеся переносными носителями информации, имеют размеры 5,25 дюйм (133 мм) и емкость 360 Кбайт или 1,2 Мбайт и 3,5 дюйм (89 мм) 1,44 Мбайт. В настоящее время такие диски не используются, их полностью отстранили флэш диски (карты). Для записи и чтения флоппи дисков применяется специальные дисководы, которые на компьютере обозначаются буквой «А».

Оптические CD и DVD диски (рис 13) тоже являются переносными носителями информации. Информационная емкость их составляет от 600 Мбайт до 8,4 Гбайт. Для чтения информации в низ используются два вида дисководов: одни только для чтения, другие как для чтения, так и для записи. Оптические CD (CD-R) и DVD диски выпускаются двух видов для однократной записи (CD-R и DVD-R) и для многократной перезаписи (CD-RW и DVD-RW).

Видеокарта (рис 14). Видеокарта совместно с монитором образует внутреннюю видеосистему компьютера. Из-за расположения эту память часто называют видепамять (videoRAM немесе VRAM). Чем больше объем памяти видеокарты, тем с большим разрешением и цветом может показывать изображения и видеоролики.

Звуковая плата(рис 15). Звуковая плата дает возможность создавать и записывать высоко качественное звуки. Расширенные возможности использования звука создаваемого звуковой платой требуется во время работы с видеоиграми и разными программами.

Порты (рис 16) - разъемы на передней или задней стенке корпуса компьютера. К ним обычно соединяются различные устройства через кабель. Количество устройств, соединяемых к портам, и их типы зависят от количества портов и их типа.

Порты ввода и вывода состоят из специальных портов, связующих с основными внутренними устройствами и портов общего назначения, связывающие с с внешними устройствами (принтер, мышь и др.). Порты общего назначения разделяютяся на параллельные, обозначаемые LPT1-LPT3 и последовательные, обозначаемые COM1-COM3. Параллельные порты работают очень быстро, но для связи требуют большого количества проводников. Порт для соединения с принтером параллельный, а порт к которому соединяется модем относится к последовательным.

К USB-порту можно подключать внешние устройства без перезагрузки компьютера.