Учебное пособие

Компьютер (англ. computer — вычислитель) - представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами.

Электронная вычислительная машина (ЭВМ) - комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей.

Электронная вычислительная машиной (ЭВМ) выполняет следующие операции:

- Обработку информации по заложенной в ЭВМ программе

- Вывод результатов обработки в форме, пригодной для восприятия человеком

- За каждой из действий отвечает специальной блок ЭВМ:

Пользователь – человек, в интересах которого проводится обработка данных на ЭВМ. В качестве пользователя могут выступать заказчики вычислительных работ, программисты, операторы.

Как правило, время подготовки задач во много раз превышает время их решения.

Требования пользователей к выполнению вычислительных работ удовлетворяются специальным подбором и настройкой технических и программных средств. Обычно эти средства взаимосвязаны и объединяются в одну структуру.

При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру.

Структура компьютера – это совокупность его функциональных элементов и связей между ними.

Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Различают структуры технических, программных и аппаратурно-программных средств.

Выбирая ЭВМ для решения своих задач, пользователь интересуется функциональными возможностями технических и программных модулей (как быстро может быть решена задача, насколько ЭВМ подходит для решения данного круга задач, какой сервис программ имеется в ЭВМ, возможности диалогового режима, стоимость подготовки и решения задач и т.д.). При этом пользователь интересуется не конкретной технической и программной реализацией отдельных модулей, а более общими вопросами возможности организации вычислений.

Характеристики ЭВМ, определяющие ее структуру:

- технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ (быстродействие и производительность, показатели надежности, достоверности, точности, емкость оперативной и внешней памяти, габаритные размеры, стоимость технических и программных средств, особенности эксплуатации и др.);

- характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; возможность расширения состава технических и программных средств; возможность изменения структуры;

- состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (операционная система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования).

Архитектура ЭВМ - это многоуровневая иерархия аппаратурно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения ЭВМ.

1. Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды.

А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.

Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды “стоп”.

Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, т.е. они могут работать без “счетчика команд”, указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены принципы фон Неймана (классическая архитектура)

- одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных,

- одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа.

Это однопроцессорный компьютер. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.

Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры – устройства управления периферийными устройствами.

Контроллер – устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

Процессор занимает в архитектуре центральное место, осуществляет:

- управление, взаимодействие всех основных компонентов ЭВМ;

Совокупность АЛУ и УУ, информационно-управляющих линий называется процессором компьютера.

АЛУ – выполняет арифметические и логические операции. Например, команды АЛУ: "сравнить два числа", "переслать число", "взять дизъюнкцию" и др.

Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др.

АЛУ каждый раз перенастраивается на выполнение очередной операции. Результаты выполнения отдельных операций сохраняются для последующего использования на одном из регистров АЛУ или записываются в память. Результаты, полученные после выполнения всей программы вычислений, передаются на устройства вывода (УВыв) информации. В качестве УВыв могут использоваться экран дисплея, принтер, графопостроитель и др.

Современные ЭВМ имеют достаточно развитые системы машинных операций. Например, ЭВМ типа IBM PC имеют около 200 различных операций (170 - 230 в зависимости от типа микропроцессора).

Любая операция в ЭВМ выполняется по определенной микропрограмме, реализуемой в схемах АЛУ соответствующей последовательностью сигналов управления (микрокоманд).

Каждая отдельная микрокоманда – это простейшее элементарное преобразование данных типа алгебраического сложения, сдвига, перезаписи информации и т.п.

УУ – организует работу ЭВМ, в частности это устройство извлекает очередную команду из памяти, расшифровывает команду, выбирает из памяти операнды к расшифрованной команде и передает их АЛУ для выполнения расшифрованной операции, а после выполнения пересылает результат для хранения в память. При этом УУ реагирует на нормальный или аварийный ход выполнения операции.

Устройство управления предназначается для автоматического выполнения программ путем принудительной координации всех остальных устройств ЭВМ.

Вызываемые из ОЗУ команды дешифрируются устройством управления: определяются код операции, которую необходимо выполнить следующей, и адреса операндов, принимающих участие в данной операции.

- Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи.

- Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко.

Уже в первых ЭВМ для увеличения их производительности широко применялось совмещение операций. При этом последовательные фазы выполнения отдельных команд программы (формирование адресов операндов, выборка операндов, выполнение операции, отсылка результата) выполнялись отдельными функциональными блоками.

В своей работе они образовывали своеобразный конвейер, а их параллельная работа позволяла обрабатывать различные фазы целого блока команд. Этот принцип получил дальнейшее развитие в ЭВМ следующих поколений.

Первые ЭВМ имели очень сильную централизацию управления, единые стандарты форматов команд и данных, “жесткое” построение циклов выполнения отдельных операций, что во многом объясняется ограниченными возможностями используемой в них элементной базы.

Центральное УУ обслуживало не только вычислительные операции, но и операции ввода-вывода, пересылок данных между ЗУ и др. Все это позволяло в какой-то степени упростить аппаратуру ЭВМ, но сильно сдерживало рост их производительности.

Рисунок 87 – Обобщенная структурная схема ЭВМ первых поколений

С помощью устройств ввода (УВВ) информации пользователи вводят в ЭВМ программы решаемых задач и данные к ним.

Введенная информация полностью или частично сначала запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длительного хранения информации, где преобразуется в специальный программный объект – файл.

Файл – идентифицированная совокупность экземпляров полностью описанного в конкретной программе типа данных, находящихся вне программы во внешней памяти и доступных программе посредством специальных операций (ГОСТ 20866 - 85)».

При использовании файла в вычислительном процессе его содержимое переносится в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в устройство управления (УУ).

В ЭВМ третьего поколения произошло усложнение структуры за счет разделения процессов ввода-вывода информации и ее обработки.

Рисунок 88 – Структурная схема ЭВМ третьего поколения

Сильносвязанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор, т.е. устройство, предназначенное для обработки данных.

В схеме ЭВМ появились также дополнительные устройства, которые имели названия: процессоры ввода-вывода, устройства управления обменом информацией, каналы ввода-вывода (КВВ).

КВВ получило наибольшее распространение применительно к большим ЭВМ (наметилась тенденция к децентрализации управления и параллельной работе отдельных устройств, что позволило резко повысить быстродействие ЭВМ в целом).

Среди каналов ввода-вывода выделяли мультиплексные каналы, способные обслуживать большое количество медленно работающих устройств ввода-вывода (УВВ), и селекторные каналы, обслуживающие в многоканальных режимах скоростные внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

Рисунок 89 – Структурная схема ЭВМ четвертого поколения

Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания.

Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее еще более децентрализованной.

Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ.

Ядро ЭВМ образуют процессор и основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ).

ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения наиболее часто используемых программ управления.

Подключение всех внешних устройств (ВнУ) обеспечивается через соответствующие адаптеры – согласователи скоростей работы сопрягаемых устройств или контроллеры – специальные устройства управления периферийной аппаратурой.

Контроллеры в ЭВМ играют роль каналов ввода-вывода. В качестве особых устройств следует выделить таймер – устройство измерения времени и контроллер прямого доступа к памяти (КПД) – устройство, обеспечивающее доступ к ОП, минуя процессор.

Принцип открытой архитектуры заключается в следующем:

- Регламентируется и стандартизируется описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними).

- Компьютер легко расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних расширительных гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями.

Для того, чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера, они должны иметь одинаковый интерфейс (англ. interface от inter — между, и face — лицо). Интерфейс – это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой.

Если интерфейс является общепринятым, например, утверждённым на уровне международных соглашений, то он называется стандартным.

Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты.

Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

Порты устройств представляют собой некие электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора.

Портами также называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы).

Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами — побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно.

К последовательному порту обычно подсоединяют медленно действующие или достаточно удалённые устройства, такие, как мышь и модем. К параллельному порту подсоединяют более "быстрые" устройства – принтер и сканер. Через игровой порт подсоединяется джойстик.

Клавиатура и монитор подключаются к своим специализированным портам, которые представляют собой просто разъёмы.

Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру процессора, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской (MotherBoard).

А контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения (DаughterBoard — дочерняя плата) и подключаются к шине с помощью разъёмов расширения, называемых также слотами расширения (англ. slot — щель, паз).

Слоты на материнской плате, используемые для установки плат расширения ПК, пример: ISA, PCI, AGP, PCI Express и т.д.

Сокеты для установки процессоров, пример: Socket T (LGA 775, Intel), Socket F (Socket 1207, AMD).

ЭВМ состоит из нескольких основных конструктивных компонент:

Корпус системного блока может иметь горизонтальную (DeskTop) или вертикальную (Tower — башня) компоновку.

Рисунок 90 – Виды корпусов системного блока

Системная плата является основной в системном блоке. Она содержит компоненты, определяющие архитектуру компьютера:

- постоянную (ROM) и оперативную (RAM) память, кэш-память;

- обязательные системные средства ввода-вывода и др.

Системные платы исполняются на основе наборов микросхем, которые называются чипсетами (ChipSets). Часто на системных платах устанавливают и контроллеры дисковых накопителей, видеоадаптер, контроллеры портов и др. В гнёзда расширения системной платы устанавливаются платы таких периферийных устройств, как модем, сетевая плата, видеоплата и т.п.

Шина ПК – это канал (магистраль), который связывает между собой процессор, ОЗУ, кэш-память, контроллеры устройств ПК, а также разъемы (слоты) расширения на материнской плате для подключения различных контроллеров устройств ввода/вывода.

При этом для сохранения совместимости данные слоты должны быть механически и электрически идентичны в разных моделях совместимых компьютеров.

По шине передаются как данные, так и управляющие сигналы.

Работа шины осуществляется в соответствии с определенными правилами, регламентированными стандартами.

- Частота (МГц) – тактовая частота, с которой происходит обмен данными между процессором и оперативной памятью компьютера ,

- Разрядности (Биты) – определяется разрядностью процессора, т.е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт.

Рисунок 92 – Логическая схема системной платы

Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) – это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора.

Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

Рисунок 94 – Intel 80486DX2 в керамическом корпусе

Рисунок 95 – Intel Celeron 400 Socket 370 в пластиковом корпусе

Существует два типа тактовой частоты: внутренняя и внешняя.

Внутренняя тактовая частота – это тактовая частота, на которой функционируют электрические схемы внутри процессора.

Внешняя тактовая частота (частота системной шины) – это тактовая частота, с которой происходит обмен данными между процессором и оперативной памятью компьютера.

Герц (обозначение: Гц, Hz) — единица измерения частоты периодических процессов (например, колебаний).

1 Гц означает одно исполнение (реализацию) такого процесса за одну секунду: 1 Гц = 1/с

Та́ктовая частота́ — частота синхронизирующих импульсов синхронной электронной схемы, то есть количество синхронизирующих тактов, поступающих извне на вход схемы за одну секунду.

В самом первом приближении тактовая частота характеризует производительность подсистемы (процессора, памяти и пр.), то есть количество выполняемых операций в секунду.

Однако системы с одной и той же тактовой частотой могут иметь различную производительность, так как на выполнение одной операции разным системам может требоваться различное количество тактов (обычно от долей такта до десятков тактов), а кроме того, системы, использующие конвейерную и параллельную обработку, могут на одних и тех же тактах выполнять одновременно несколько операций.

Такт процессора или такт ядра процессора — промежуток между двумя импульсами тактового генератора, который синхронизирует выполнение всех операций процессора.

Генератор тактовой частоты (генератор тактовых импульсов) генерирует электрические импульсы заданной частоты (обычно прямоугольной формы) для синхронизации различных процессов в цифровых устройствах — ЭВМ, электронных часах и таймерах, микропроцессорной и другой цифровой технике.

Разрядность процессора определяется разрядностью его регистров. Компьютер может одновременно оперировать ограниченным набором единиц информации. Этот набор зависит от разрядности внутренних регистров.

Разряд – это хранилище единицы информации. За один рабочий такт компьютер способен обработать столько информации, сколько может поместиться в регистрах.

Если регистры могут хранить восемь единиц информации, то они 8-разрядные и процессор 8-разрядный. Чем выше разрядность процессора, тем большее количество информации он сможет обработать за один такт.

Поскольку скорость работы центрального процессора отличается на порядок от скорости оперативной памяти, то для более интенсивного обмена данными между ними применяется специальная быстродействующая память, которая называется кэш.

Она играет роль своего рода буфера между процессором и оперативной памятью компьютера.

Существует два типа кэша: первого и второго уровня.
Объем кэш-памяти первого и второго уровня влияет на производительность процессора (чем больше – тем выше производительность).

Разъём центрального процессора – гнездовой или щелевой разъём, предназначенный для установки центрального процессора. Разъём может быть предназначен для установки собственно процессора или CPU-карты. Каждый разъём допускает установку только определённого типа процессора или CPU-карты.

Старые разъёмы для процессоров x86 нумеровались в порядке выпуска, обычно одной цифрой. Более поздние разъёмы как правило обозначались номерами, соответствующими числу пинов (ножек) процессора.


Рисунок 97 – Socket T (LGA 775)	Рисунок 98 – Процессор для Slot 1

Архитектура набора команд (англ. instruction set architecture, ISA) — часть архитектуры компьютера, определяющая программируемую часть ядра микропроцессора. На этом уровне определяются реализованные в микропроцессоре конкретного типа:

- взаимодействие с внешними устройствами ввода/ вывода,

- различные типы внутренних данных (например, с плавающей запятой, целочисленные типы и т . д.),

- обработчики прерываний и исключительных состояний.

IA-32 предназначена для выполнения массовых 32-разрядных приложения на ПК начального уровня и реализована в следующих семействах процессоров:

- процессорах Intel, использующих технологии ультранизкого напряжения питания;

Архитектура набора команд IA-64 реализована в семействе процессоров Intel Itanium.

Архитектура Intel 64 предназначена для современных ПК и серверов среднего уровня, оптимизированных для выполнения 64-разрядных приложений. Реализована в

x86 (англ. Intel 80x86) — архитектура процессора c одноименным набором команд, впервые реализованная в процессорах компании Intel.

Название образованно от двух цифр, которыми заканчивались названия процессоров Intel ранних моделей — 8086, 80186, 80286 (i286), 80386 (i386), 80486 (i486). За время своего существования набор команд постоянно расширялся, сохраняя совместимость с предыдущими поколениями.

Помимо Intel, архитектура также была реализована в процессорах других производителей: AMD, VIA, Transmeta, WinChip и др.

В настоящее время для этой архитектуры существует еще одно название — IA-32 (Intel Architecture — 32).

x86-64 (также x64/AMD64/Intel64/EM64T) — 64-битная аппаратная платформа: чипсет, архитектура микропроцессора и команд, разработанные компанией AMD для выполнения 64-разрядных приложений.

Набор команд x86-64 в настоящее время поддержан:

- AMD — процессорами Athlon 64, Athlon 64 FX, Athlon 64 X2, Athlon II, Phenom, Phenom II, Turion 64, Opteron, последними моделями Sempron

- Intel (с незначительными дополнениями) под названием «Intel 64» (ранее известные как «EM64T» и «IA-32e») в поздних моделях процессоров Pentium 4, а также в Pentium D, Pentium Extreme Edition, Celeron D, Core 2 Duo, Core 2 Quad, Core i3, Core i5, Core i7, Atom и Xeon.

- ПЗУ – постоянное запоминающее устройство;

Регистр процессора — сверхбыстрая память внутри процессора, предназначенная прежде всего для хранения промежуточных результатов вычисления (регистр общего назначения/регистр данных) или содержащая данные, необходимые для работы процессора — смещения базовых таблиц, уровни доступа и т. д. (специальные регистры).

Доступ к значениям, хранящимся в регистрах как правило в несколько раз быстрее, чем доступ к ячейкам оперативной памяти (даже если кеш-память содержит нужные данные), но объём оперативной памяти намного превосходит суммарный объём регистров (объём среднего модуля оперативной памяти сегодня составляет 1 Гб — 4 Гб, суммарная «ёмкость» регистров общего назначения/данных для процессора Intel 80x86 16 битов * 4 = 64 бита (8 байт)).

- вырабатывает последовательность управляющих символов, инициирующих выполнение соответствующих микрокоманд;

- координирует функционирование всех устройств ЭВМ посредством пересылки сигналов;

- отвечает за обмен данными ЦП между ОП, за хранение и обработку информации, тестирование и диагностику блоков;

УУ целесообразно рассматривать как отдельный блок ЦП, хотя на практике большинство управляющих схем распределены по всей ЭВМ.

Блок УР предназначен для временного хранения управляющей информации и содержит регистры и счетчики.

Регистры состояния ЦП, счетчик команд, регистр запроса прерываний. УР включают управляющие триггеры, фиксирующие режим работы ЦП. Пример: регистром состояния ЦП служит слово состояния программы (ССП).

Счетчик команд (СК) представляет собой регистр, хранящий в ОП адрес выполняемой команды, регистр команд содержит выполняемую команду.

Блок РП содержит регистры сверх ОП небольшого объема, позволяющего повысить быстродействие и логические возможности ЦП.

Эти регистры используются в командах путем сокращенной регистровой адресации.

РП выполняются в виде быстродействующих полупроводниковых интегральных ЗУ.

Блок АЛУ служит для выполнения арифметических операций над данными, поступающими из ОП и хранящихся в РП. Блок АЛУ работает под управлением УУ.

АЛУ выполняет операции над бинарными числами, производит обработку символьной информации. Логические операции производятся над отдельными битами, байтами и последовательностями.

В общем случае обрабатываемая информация состоит из слов, содержащих фиксированное число битов (в этом случае АЛУ должно иметь возможность производить операции над n-битными словами).

Операнды поступают в ОП на регистры АЛУ, а устройство управления указывает операцию, которую необходимо над ними произвести.

Результат каждой арифметической операции сохраняется в специальном регистре сумматоре, который является основным регистром в АЛУ.

Некоторые ЭВМ имеют несколько сумматоров. Если их более 4-х, то они выделяются в специальную группу регистров общего назначения.

КЭШ-память представляет собой быструю буферную память.

ИБ обеспечивает обмен информацией ЦП с ОП, а также связь ЦП с периферийными устройствами и другими внешними устройствами.

ИБ содержит два регистра, обеспечивающих связь с ОП регистр адреса памяти (РАП) и регистр данных памяти (РДП).

РАП используется для хранения адреса ячейки ОП, с которой производится обмен данными, а РДП содержит данными обмена.

Блок контроля и диагностики (БКД) предназначен:

- восстановление работы текущей программы после сбоя,

- РАП - регистр адреса памяти. Этот регистр участвует во всех обращениях к основной памяти. Он содержит адрес ячейки памяти, к которой производится обращение для чтения или записи.

- РДП – регистр данных памяти. Этот регистр также участвует во всех обращениях к основной памяти. Он содержит данные, которые записываются, или принимает данные, которые считываются из ячейки основной памяти, указанной в РАП.

Общая схема выполнения программы процессором:

1. В СК записывается адрес первой команды выполняемой программы.

3. В ОП посылается сигнальное управление считыванием команды через некоторое время, адресуемое слово извлекается из ОП и загружается в РДП.

5. Команда готова к декодированию и выполнению. Если команды содержит операцию, которая должна быть выполнена АЛУ, то необходимо получить требуемые операнды.

6. Помимо передачи данных между ОП и ЦП необходимо обеспечивать обмен данными с ВУ, что делают команды управляющие вводом/выводом.

7. Естественный порядок выполнения программы может нарушаться при поступлении сигнала прерывания. Прерывание является требованием на обслуживание, которые выполняет ЦП, выполняя соответствующую программу обработки прерываний.

8. Так как прерывание и его обработка могут изменить внутренние состояние ЦП, то оно сохраняется в ОП перед началом работы программы обработки прерываний.

9. Сохранение состояния ЦП достигается пересылкой содержимого регистров и управляющей информации.

Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов – битов, объединенных в группы по 8 битов, которые называются байтами. Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.

Байты могут объединяться в ячейки, которые называются также словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова — два, четыре или восемь байтов.

Как правило, в одном машинном слове может быть представлено либо одно целое число, либо одна команда.

Разбиение памяти на слова для четырехбайтовых компьютеров представлено в таблице.

Широко используются и более крупные производные единицы объема памяти: Килобайт, Мегабайт, Гигабайт, а также, в последнее время, Терабайт и Петабайт.

Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory – память с произвольным доступом) – это быстрое запоминающее устройство не очень большого объёма, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами.

Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, так как, когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой — это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.

Существует два типа ОЗУ (оперативное запоминающее устройство): статическое и динамическое.

Статическое ОЗУ (Static Random Access Memory, SRAM). Информация в ОЗУ сохраняется на протяжении всего времени, пока к нему подается питание.

Статическое ОЗУ работает очень быстро. Обычно время доступа составляет несколько наносекунд. По этой причине статическое ОЗУ часто используется в качестве кэш-памяти второго уровня.

Динамическое ОЗУ (Dynamic Random Access Memory, DRAM) представляет собой массив ячеек, каждая из которых содержит транзистор и крошечный конденсатор. Конденсаторы могут быть заряженными и разряженными, что позволяет хранить нули и единицы.

Поскольку электрический заряд имеет тенденцию исчезать, каждый бит в динамическом ОЗУ должен обновляться (перезаряжаться) каждые несколько миллисекунд, чтобы предотвратить утечку данных. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh Memory).

Поскольку динамическому ОЗУ нужен только 1 транзистор и 1 конденсатор на бит (статическому ОЗУ требуется в лучшем случае 6 транзисторов на бит), динамическое ОЗУ имеет очень высокую плотность записи (много битов на одну микросхему). По этой причине основная память почти всегда строится на основе динамических ОЗУ.

Однако динамические ОЗУ работают очень медленно (время доступа занимает десятки наносекунд). Таким образом, сочетание кэш-памяти на основе статического ОЗУ и основной памяти на основе динамического ОЗУ соединяет в себе преимущества обоих устройств.

- FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM) – быстрая страничная память.

- EDO DRAM (Extended Data Out) – память с совершенствованным выходом.

- DDR SDRAM – Double Data Rate SDRAM (SDRAM удвоенной скорости передачи данных).

Память типа DRAM конструктивно выполняют и в виде отдельных микросхем в виде модулей памяти типа:

- SIMM (Single In-line Memory Module — модуль памяти, имеющий выводы с одной стороны),

- DIMM Модули типа DIMM (Dual In-line Memory Module —модуль памяти, у которого выводы расположены с двух сторон),

- SO-DIMM (Small outline DIMM) — аналоги модулей DIMM в компактном исполнении для экономии места.

Рисунок 99 – Конструктивные исполнения памяти DRAM. Сверху вниз: DIP, SIPP, SIMM (30-контактный), SIMM (72-контактный), DIMM (168-контактный), DIMM (184-контактный, DDR)

Рисунок 100 – Микросхемы памяти RIMM (сверху) и DIMM (снизу)

Рисунок 101 – Модуль SDRAM в 72-контактном корпусе SO-DIMM

Модули памяти характеризуются следующими параметрами:

- время доступа к данным (например, 7 наносекунд),

Кэш (англ. cache), или сверхоперативная память – очень быстрое ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью.

Кэш-памятью управляет специальное устройство – контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память.

Возможны как "попадания", так и "промахи". Их соотношение определяет эффективность кэширования.

Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти SRAM (Static RAM), более быстродействующих, дорогих и малоёмких, чем DRAM (SDRAM).

Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память, так называемый кэш первого уровня размером 8, 16 или 32 Кбайт.

Кроме того, на системной плате компьютера может быть установлен кэш второго уровня ёмкостью 256, 512 Кбайт и выше.

К устройствам специальной памяти относятся:

- перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory),

Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory — память только для чтения) – энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом "зашивается" в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.

CMOS RAM – это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы.

Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS (англ. Set-up – устанавливать, читается "сетап").

Видеопамять (VRAM) — разновидность оперативного ЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам — процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения программ и данных, и целостность её содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер. В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором.

- накопители на магнито-оптических компакт-дисках;

- накопители на магнитной ленте (стримеры) и др.

Дискета устанавливается в накопитель на гибких магнитных дисках (англ. floppy-disk drive), автоматически в нем фиксируется, после чего механизм накопителя раскручивается до частоты вращения 360 мин-1.

В накопителе вращается сама дискета, магнитные головки остаются неподвижными. Дискета вращается только при обращении к ней. Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков.


Рисунок 102 – Поверхность магнитного диска	Рисунок 103 – Устройство дискеты

Накопитель на жёстких магнитных дисках (англ. HDD – Hard Disk Drive) – это наиболее массовое запоминающее устройство большой ёмкости, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые пластины — платтеры, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Используется для постоянного хранения информации — программ и данных.

Как и у дискеты, рабочие поверхности платтеров разделены на кольцевые концентрические дорожки, а дорожки — на секторы. Головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками заключены в герметически закрытый корпус, называемый модулем данных. При установке модуля данных на дисковод он автоматически соединяется с системой, подкачивающей очищенный охлажденный воздух.

Поверхность платтера имеет магнитное покрытие толщиной всего лишь в 1,1 мкм, а также слой смазки для предохранения головки от повреждения при опускании и подъёме на ходу. При вращении платтера над ним образуется воздушный слой, который обеспечивает воздушную подушку для зависания головки на высоте 0,5 мкм над поверхностью диска.

Винчестерские накопители имеют большую ёмкость. Скорость вращения шпинделя (вращающего вала) обычно составляет 7200 об/мин, среднее время поиска данных 9 мс, средняя скорость передачи данных до 60 Мбайт/с.

В отличие от дискеты, жесткий диск вращается непрерывно. Все современные накопители снабжаются встроенным кэшем, повышающим их производительность. Винчестер связан с процессором через контроллер жесткого диска.

Накопители на компакт-дисках. Носителем информации является CD-ROM (Сompact Disk Read-Only Memory – компакт диск, с которого можно только читать).

CD-ROM представляет собой прозрачный полимерный диск диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм, на одну сторону которого напылен светоотражающий слой алюминия, защищенный от повреждений слоем прозрачного лака. Толщина напыления составляет несколько десятитысячных долей миллиметра.

Информация на диске представляется в виде последовательности впадин (углублений в диске) и выступов (их уровень соответствует поверхности диска), расположеных на спиральной дорожке, выходящей из области вблизи оси диска.

На каждом дюйме (2,54 см) по радиусу диска размещается 16 тысяч витков спиральной дорожки.

Для сравнения – на поверхности жесткого диска на дюйме по радиусу помещается лишь несколько сотен дорожек. Емкость CD достигает 780 Мбайт.

Для работы с CD-ROM нужно подключить к компьютеру накопитель CD-ROM, преобразующий последовательность углублений и выступов на поверхности CD-ROM в последовательность двоичных сигналов.

Для этого используется считывающая головка с микролазером и светодиодом. Глубина впадин на поверхности диска равна четверти длины волны лазерного света. Если в двух последовательных тактах считывания информации луч света лазерной головки переходит с выступа на дно впадины или обратно, разность длин путей света в этих тактах меняется на полуволну, что вызывает усиление или ослабление совместно попадающих на светодиод прямого и отраженного от диска света.

Некоторые типы накопителей на компакт дисках:

- Минидиск (MD) - магнито-оптический носитель информации.

- DVD-R/RW - цифровой многоцелевой диск (1 сторонний однослойный 4,7Гб).

- HD DVD - технология записи оптических дисков, использует диски стандартного размера и голубой лазер с длиной волны 405 нм. Однослойный диск HD DVD имеет ёмкость 15 GB, двухслойный — 30 GB.

- DVD-Audio - созданный специально для высококачественного воспроизведения звуковой информации.

- Blu-ray Disc (BD) - формат оптического носителя, используемый для записи и хранения цифровых данных, включая видео высокой чёткости с повышенной плотностью. Однослойный диск Blu-ray (BD) может хранить 33 Гб, двухслойный диск - 66 Гб.

- HD VMD - на одной стороне диска помещает до 5 Гб данных, но за счёт того, что диски являются многослойными (до 20 слоёв) их ёмкость достигает 100 Гб.

- Ultra Density Optical (UDO) - представляет собой картридж 5.25” с оптическим диском внутри. Объём диска на данный момент составляет от 60 Гб до 120 Гб. Для записи может использоваться как красный лазер (650нм), так и сине-фиолетовый (405нм), причем во втором случае максимальный объем диска может достигать 500 Гб.

Накопители на магнитной ленте. Стример (англ. tape streamer) — устройство для резервного копирования больших объёмов информации. В качестве носителя здесь применяются кассеты с магнитной лентой ёмкостью 1 – 2 Гбайта и больше.

Стримеры позволяют записать на небольшую кассету с магнитной лентой огромное количество информации. Встроенные в стример средства аппаратного сжатия позволяют автоматически уплотнять информацию перед её записью и восстанавливать после считывания, что увеличивает объём сохраняемой информации.

Недостатком стримеров является их сравнительно низкая скорость записи, поиска и считывания информации.

В последнее время всё шире используются накопители на сменных дисках, которые позволяют не только увеличивать объём хранимой информации, но и переносить информацию между компьютерами. Объём сменных дисков – от сотен Мбайт до нескольких Гигабайт.

Рисунок 106 – стример

Рисунок 107 – LTO-3, появившийся в 2005 году, увеличил ёмкость и скорость до 400 Гбайт и 80 Мбайт/с.

Рисунок 108 – Иерархическая структура памяти по быстродействию

Аудиоадаптер (Sound Blaster или звуковая плата) – это специальная электронная плата, которая позволяет записывать звук, воспроизводить его и создавать программными средствами с помощью микрофона, наушников, динамиков, встроенного синтезатора и другого оборудования.

Аудиоадаптер содержит в себе два преобразователя информации:

- аналого-цифровой, который преобразует непрерывные (то есть, аналоговые) звуковые сигналы (речь, музыку, шум) в цифровой двоичный код и записывает его на магнитный носитель;

- цифро-аналоговый, выполняющий обратное преобразование сохранённого в цифровом виде звука в аналоговый сигнал, который затем воспроизводится с помощью акустической системы, синтезатора звука или наушников.

Видеоадаптер — это электронная плата, которая обрабатывает видеоданные (текст и графику) и управляет работой дисплея. Содержит видеопамять, регистры ввода вывода и модуль BIOS. Посылает в дисплей сигналы управления яркостью лучей и сигналы развертки изображения.

Основные параметры адаптера отображаемое разрешение экрана при заданном количестве цветов. Например, адаптер SVGA (Super Video Graphics Array — супервидеографический массив), может отображать на экране дисплея 1280х1024 пикселей при 256 цветах и 1024х768 пикселей при 16 миллионах цветов.

Клавиатура компьютера – устройство для ввода информации в компьютер и подачи управляющих сигналов. Содержит стандартный набор клавиш печатной машинки и некоторые дополнительные клавиши — управляющие и функциональные клавиши, клавиши управления курсором и малую цифровую клавиатуру.

Клавиатура содержит встроенный микроконтроллер, который выполняет следующие функции:

- последовательно опрашивает клавиши, считывая введенный сигнал и вырабатывая двоичный скан-код клавиши;

- управляет световыми индикаторами клавиатуры;

- проводит внутреннюю диагностику неисправностей;

- осуществляет взаимодействие с центральным процессором через порт ввода-вывода клавиатуры.

Клавиатура имеет встроенный буфер – промежуточную память малого размера, куда помещаются введённые символы. В случае переполнения буфера нажатие клавиши будет сопровождаться звуковым сигналом — это означает, что символ не введён (отвергнут). Работу клавиатуры поддерживают специальные программы, "зашитые" в BIOS, а также драйвер клавиатуры, который обеспечивает возможность ввода русских букв, управление скоростью работы клавиатуры и др.

Видеосистема компьютера состоит из трех компонент:

- программное обеспечение (драйверы видеосистемы).

Видеоадаптер посылает в монитор сигналы управления яркостью лучей и синхросигналы строчной и кадровой развёрток.

Монитор преобразует эти сигналы в зрительные образы. А программные средства обрабатывают видеоизображения — выполняют кодирование и декодирование сигналов, координатные преобразования, сжатие изображений и др.

Монитор – устройство визуального отображения информации (в виде текста, таблиц, рисунков, чертежей и др.).

Монитор на базе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ)

Основной элемент ЭЛТ монитора – электронно-лучевая трубка. Её передняя, обращенная к зрителю часть с внутренней стороны покрыта люминофором – специальным веществом, способным излучать свет при попадании на него быстрых электронов.

Рисунок 109 – Схема электронно-лучевой трубки

Люминофор наносится в виде наборов точек трёх основных цветов – красного, зелёного и синего. Эти цвета называют основными, потому что их сочетаниями (в различных пропорциях) можно представить любой цвет спектра (RGB).

Наборы точек люминофора располагаются по треугольным триадам. Триада образует пиксел (англ. pixel – picture element, элемент картинки) – точку, из которых формируется изображение.

Расстояние между центрами пикселов называется точечным шагом монитора. Это расстояние существенно влияет на чёткость изображения.

Количество отображённых строк в секунду называется строчной частотой развертки.

А частота, с которой меняются кадры изображения, называется кадровой частотой развёртки.

Последняя не должна быть ниже 85 Гц, иначе изображение будет мерцать.

Примеры разъемов, для подключения монитора:VGA-разъем (D-Sub), HDMI, DIVI-D.

Рисунок 110 – (3 и 4 - выходы на динамики (HDMI), 5 - D-SUB, 6 - компонентный вход, 7 - DisplayPort, 8 - HDMI, 9 - порты DVI-D, 10/11 - TV-входы)

Жидкие кристаллы – это особое состояние некоторых органических веществ, в котором они обладают текучестью и свойством образовывать пространственные структуры, подобные кристаллическим.

Жидкие кристаллы могут изменять свою структуру и светооптические свойства под действием электрического напряжения. Меняя с помощью электрического поля ориентацию групп кристаллов и используя введённые в жидкокристаллический раствор вещества, способные излучать свет под воздействием электрического поля, можно создать высококачественные изображения, передающие более 15 миллионов цветовых оттенков.

Рисунок 111 – Основные принципы работы ЖК монитора

Рисунок 112 – Субпиксел цветного ЖК-дисплея

Большинство ЖК-мониторов использует тонкую плёнку из жидких кристаллов, помещённую между двумя стеклянными пластинами. Заряды передаются через так называемую пассивную матрицу – сетку невидимых нитей, горизонтальных и вертикальных, создавая в месте пересечения нитей точку изображения (несколько размытого из-за того, что заряды проникают в соседние области жидкости).

Активные матрицы вместо нитей используют прозрачный экран из транзисторов и обеспечивают яркое, практически не имеющее искажений изображение. Экран при этом разделен на независимые ячейки, каждая из которых состоит из четырех частей (для трёх основных цветов и одна резервная).

Количество таких ячеек по широте и высоте экрана называют разрешением экрана.

Принтер — печатающее устройство. Осуществляет вывод из компьютера закодированной информации в виде печатных копий текста или графики.

Матричные принтеры используют комбинации маленьких штырьков, которые бьют по красящей ленте, благодаря чему на бумаге остаётся отпечаток символа. Каждый символ, печатаемый на принтере, формируется из набора 9, 18 или 24 игл, сформированных в виде вертикальной колонки.

Рисунок 113 – Принцип работы матричного принтера

Струйные принтеры генерируют символы в виде последовательности чернильных точек. Печатающая головка принтера имеет крошечные сопла, через которые на страницу выбрызгиваются быстросохнущие чернила. Эти принтеры требовательны к качеству бумаги. Цветные струйные принтеры создают цвета, комбинируя чернила четырех основных цветов — ярко-голубого, пурпурного, желтого и черного.

Рисунок 114 – Принцип работы струйного принтера

Лазерные принтеры работают примерно так же, как ксероксы. Компьютер формирует в своей памяти "образ" страницы текста и передает его принтеру. Информация о странице проецируется с помощью лазерного луча на вращающийся барабан со светочувствительным покрытием, меняющим электрические свойства в зависимости от освещённости.

Рисунок 115 – Принцип работы лезерного принтера

После засветки на барабан, находящийся под электрическим напряжением, наносится красящий порошок – тонер, частицы которого налипают на засвеченные участки поверхности барабана. Принтер с помощью специального горячего валика протягивает бумагу под барабаном; тонер переносится на бумагу и "вплавляется" в неё, оставляя стойкое высококачественное изображение.

Принтер связан с компьютером посредством кабеля принтера, один конец которого вставляется своим разъёмом в гнездо принтера, а другой — в порт принтера компьютера. Порт – это разъём, через который можно соединить процессор компьютера с внешним устройством.

Каждый принтер обязательно имеет свой драйвер – программу, которая способна переводить (транслировать) стандартные команды печати компьютера в специальные команды, требующиеся для каждого принтера.

Плоттер (графопостроитель) – устройство, которое чертит графики, рисунки или диаграммы под управлением компьютера.

Плоттеры используются для получения сложных конструкторских чертежей, архитектурных планов, географических и метеорологических карт, деловых схем. Плоттеры рисуют изображения с помощью пера.

Роликовые плоттеры прокручивают бумагу под пером, а планшетные плоттеры перемещают перо через всю поверхность горизонтально лежащей бумаги.

Плоттеру, так же, как и принтеру, обязательно нужна специальная программа – драйвер, позволяющая прикладным программам передавать ему инструкции: поднять и опустить перо, провести линию заданной толщины и т.п.


Рисунок 116 – Роликовый плоттер	Рисунок 117 – Планшетный плоттер

Сканер – устройство для ввода в компьютер графических изображений. Создает оцифрованное изображение документа и помещает его в память компьютера.

Существуют ручные сканеры, которые прокатывают по поверхности документа рукой, и планшетные сканеры, по внешнему виду напоминающие копировальные машины.

Если при помощи сканера вводится текст, компьютер воспринимает его как картинку, а не как последовательность символов. Для преобразования такого графического текста в обычный символьный формат используют программы оптического распознавания образов.


Рисунок 118 – Планшетный сканер	Рисунок 119 – Ручной сканер

Модем – устройство для передачи компьютерных данных на большие расстояния по телефонным линиям связи.

Цифровые сигналы, вырабатываемые компьютером, нельзя напрямую передавать по телефонной сети, потому что она предназначена для передачи человеческой речи – непрерывных сигналов звуковой частоты.

Модем обеспечивает преобразование цифровых сигналов компьютера в переменный ток частоты звукового диапазона – этот процесс называется модуляцией, а также обратное преобразование, которое называется демодуляцией. Отсюда название устройства: модем – модулятор/демодулятор.

Для осуществления связи один модем вызывает другой по номеру телефона, а тот отвечает. Затем модемы посылают друг другу сигналы, согласуя подходящий им обоим режим связи.

После этого передающий модем начинает посылать модулированные данные с согласованными скоростью (количеством бит в секунду) и форматом. Модем на другом конце преобразует полученную информацию в цифровой вид и передает её своему компьютеру. Закончив сеанс связи, модем отключается от линии.

Управление модемом осуществляется с помощью специального коммутационного программного обеспечения.

Факс – это устройство факсимильной передачи изображения по телефонной сети. Название "факс" произошло от слова "факсимиле" (лат. fac simile – сделай подобное), означающее точное воспроизведение графического оригинала (подписи, документа и т.д.) средствами печати.

Модем, который может передавать и получать данные как факс, называется факс-модемом.

Манипуляторы (мышь, джойстик и др.) – это специальные устройства, которые используются для управления курсором.

Мышь имеет вид небольшой коробки, полностью умещающейся на ладони. Мышь связана с компьютером кабелем через специальный блок – адаптер, и её движения преобразуются в соответствующие перемещения курсора по экрану дисплея.

В верхней части устройства расположены управляющие кнопки (обычно их три), позволяющие задавать начало и конец движения, осуществлять выбор меню и т.п.

Джойстик – обычно это стержень-ручка, отклонение которой от вертикального положения приводит к передвижению курсора в соответствующем направлении по экрану монитора. Часто применяется в компьютерных играх. В некоторых моделях в джойстик монтируется датчик давления. В этом случае, чем сильнее пользователь нажимает на ручку, тем быстрее движется курсор по экрану дисплея.

Трекбол – небольшая коробка с шариком, встроенным в верхнюю часть корпуса. Пользователь рукой вращает шарик и перемещает, соответственно, курсор. В отличие от мыши, трекбол не требует свободного пространства около компьютера, его можно встроить в корпус машины.

Дигитайзер – устройство для преобразования готовых изображений (чертежей, карт) в цифровую форму. Представляет собой плоскую панель – планшет, располагаемую на столе, и специальный инструмент – перо, с помощью которого указывается позиция на планшете.

При перемещении пера по планшету фиксируются его координаты в близко расположенных точках, которые затем преобразуются в компьютере в требуемые единицы измерения.

Учебное пособие -> Глава 11

Глава 11. Архитектура ЭВМ