Билет 5. Функциональная схема компьютера (основные устройства, их функции и взаимосвязь). Характеристики современных персональных компьютеровЕще при создании первых компьютеров в 1945 году знаменитый математик Джон фон Нейман описал, как должен быть устроен компьютер, чтобы он был универсальным и эффективным устройством для обработки информации. Эти основы конструкции компьютера называются принципами фон Неймана. Сейчас подавляющее большинство компьютеров в основных чертах соответствуют принципам фон Неймана. Прежде всего, компьютер, согласно принципам фон Неймана, должен иметь следующие устройства: · – арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции; · – устройство управления, которое организует процесс выполнения программ; · – запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных; · – внешние устройства для ввода-вывода информации. Современный персональный компьютер может быть реализован в настольном (desktop), портативном (notebook) или карманном (handheld) варианте. Все основные компоненты настольного компьютера находятся внутри системного блока. Основным аппаратным компонентом компьютера является системная (материнская) плата (motherboard). На системной плате реализована магистраль обмена информацией, имеются разъемы для установки процессора и оперативной памяти, а также слоты для установки контролеров внешних устройств.
Процессор является главным устройством компьютера, в котором собственно и происходит обработка всех видов информации. Другой важной функцией процессора является обеспечение согласованного действия всех узлов, входящих в состав компьютера. Соответственно наиболее важными частями процессора являются арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ). Каждый процессор способен выполнять вполне определенный набор универсальных инструкций, называемых чаще всего машинными командами. Каков именно этот набор, определяется устройством конкретного процессора, но он не очень велик и в основном аналогичен для различных процессоров. Работа ЭВМ состоит в выполнении последовательности таких команд, подготовленных в виде программы. Процессор способен организовать считывание очередной команды, ее анализ и выполнение, а также при необходимости принять данные или отправить результаты их обработки на требуемое устройство. Выбрать, какую инструкцию программы исполнять следующей, также должен сам процессор, причем результат этого выбора часто может зависеть от обрабатываемой в данный момент информации. Процессор аппаратно реализуется на большой интегральной схеме (БИС). БИС на самом деле не является "большой" по размеру и представляет собой маленькую плоскую полупроводниковую пластину размером примерно 20×20 мм, заключенную в плоский корпус с рядами металлических штырьков (контактов). БИС является большой по количеству элементов. Важнейшей характеристикой, определяющей быстродействие процессора, является тактовая частота, т.е. количество тактов в секунду. Такт – это промежуток времени между началами подачи двух последовательных импульсов специальной микросхемой ndash; генератором тактовой частоты, синхронизирующим работу узлов компьютера. На выполнение процессором каждой базовой операции (например, сложения) отводится определенное количество тактов. Чем больше тактовая частота, тем больше операций в секунду выполняет процессор. Тактовая частота измеряется в МГц (мегагерцах) и ГГц (гигагерцах). Тактовая частота современных процессоров достигает 4 ГГц. Другой характеристикой процессора, влияющей на его производительность, является разрядность процессора. Разрядность определяется количеством двоичных разрядов, которые могут передаваться или обрабатываться процессором одновременно. Часто уточняют разрядность процессора и пишут 64/36, что означает, что процессор имеет 64-разрядную шину данных и 36-разрядную шину адреса. Производительность процессора является его интегральной характеристикой, которая зависит от частоты процессора, его разрядности, а также особенностей архитектуры (наличие кэш-памяти и др.). Хотя внутри процессора всегда имеются специальные ячейки (регистры) для оперативного хранения обрабатываемых данных и некоторой служебной информации, в нем сознательно не предусмотрено место для хранения программы. Для этой важной цели в компьютере служит другое устройство ndash; память. Память в целом предназначена для хранения как данных, так и программ их обработки: согласно фундаментальному принципу фон Неймана, для обоих типов информации используется единое устройство. Начиная с самых первых ЭВМ, память сразу стали делить на внутреннюю и внешнюю. Исторически это действительно было связано с размещением внутри или вне процессорного шкафа. Однако с уменьшением размеров машин внутрь основного процессорного корпуса удавалось поместить все большее количество устройств, и первоначальный непосредственный смысл данного деления постепенно утратился. Тем не менее, терминология сохранилась. Под внутренней памятью современного компьютера принято понимать быстродействующую электронную память, расположенную на его системной плате. Сейчас такая память изготавливается на базе самых современных полупроводниковых технологий. Наиболее существенная часть внутренней памяти называется оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, RAM: random access memory − память произвольного доступа). Его главное назначение состоит в том, чтобы хранить данные и программы для решаемых в текущий момент задач. Наверное, каждому пользователю известно, что при выключении питания содержимое ОЗУ полностью теряется. Оперативная память изготавливается в виде модулей памяти. Модули памяти представляют собой пластины с рядами контактов, на которых размещаются БИС памяти. Модули памяти могут различаться между собой по размеру и количеству контактов (DIMM: dual in-line memory module − модуль памяти с двухрядным расположением выводов, DDR: double data rate − двойная скорость передачи данных), быстродействию (максимально возможная частота операций записи или считывания информации из ячеек памяти), информационной емкости (в МБайтах). Кэш-память. Для ускорения доступа к оперативной памяти используется специальная сверхбыстродействующая кэш-память, которая располагается как бы "между" микропроцессором и основной памятью (DRAM: dynamic random access memory − динамическое запоминающее устройство с произвольным доступом): он состоит из кэш-контролера и кэш-памяти SRAM (static random access memory − статическое запоминающее устройство с произвольным доступом) и хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. При обращении процессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем ко всей оперативной памяти, а в большинстве случаев необходимые данные уже содержатся в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается. Он появился относительно недавно, но начиная с 486-го процессора, без кэш-памяти не обходится ни одна модель процессора. Название «кэш» происходит от английского слова “cashe”, которое обозначает тайник или замаскированный склад (в частности, этим словом называют провиант, оставленный экспедицией для обратного пути, или запас продуктов, например, меда, которые животные создают на зиму). Кэш-память может быть встроена непосредственно внутрь процессора (кэш-память, встроенная в кристалл), а может существовать в виде отдельного элемента. Кэш-память работает на той же частоте, что и сам процессор, имеет небольшой объем. Заметим, что именно размером кэш-памяти отличаются между собой идентичные в остальном процессоры Pentium и Celeron фирмы Intel, а также Athlon и Duron фирмы AMD. Как и для ОЗУ, увеличение объема кэша повышает эффективность работы компьютерной системы. В состав внутренней памяти современного компьютера, помимо ОЗУ, также входят и некоторые другие разновидности памяти. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) или BIOS (Basic Input-Output System – базовая система ввода-вывода). В ПЗУ (BIOS) хранится информация, необходимая для первоначальной загрузки компьютера в момент включения питания. Как очевидно из названия, информация в ПЗУ не зависит от состояния компьютера (для лучшего понимания можно указать на некоторую аналогию между информацией в ПЗУ и "врожденными" безусловными рефлексами у живых существ). Раньше содержимое ПЗУ раз и навсегда формировалось на заводе, теперь же современные технологии позволяют в случае необходимости обновлять его даже не извлекая из компьютерной платы. CMOS (complementary metal-oxide semiconductor − комплементарный (дополняющий) металло-оксидный полупроводник) или полупостоянная память. Небольшой участок памяти для хранения параметров конфигурации компьютера. Его называют CMOS-памятью, поскольку эта память обычно выполняется по технологии, обладающей низким энергопотреблением. Содержимое CMOS-памяти не изменяется при выключении электропитания компьютера, поскольку для ее электропитания используется специальный аккумулятор. Для изменения параметров конфигурации компьютера в BIOS содержится программа настройки конфигурации компьютера – SETUP. Она позволяет установить некоторые характеристики устройств компьютера (типы видеоконтроллера, жестких дисков и дисководов для дискет. Программа настройки конфигурации вызывается, если пользователь во время начальной загрузки нажмет клавишу Del. Видеопамять (VRAM: video random access memory − запоминающее устройство с произвольным доступом для сопряжения микропроцессора с монитором, ОЗУ видеоизображений). Еще один вид памяти, который используется для хранения изображения, выводимого на экран монитора. Эта память обычно входит в состав видеоконтроллера – электронной схемы, управляющей выводом изображения на экран. Она характеризуется объемом, которая в последние годы достигла значения в 512 МБайт. Контролеры. Электронные схемы, управляющие различными устройствами компьютера, называются контролерами – контролер для управления клавиатурой, монитором (видеоконтроллер), звуковой контролер, сетевой контролер, контролеры дисководов. Некоторые контролеры входят в состав материнской платы. Такие контролеры называются встроенными или интегрированными (в материнскую плату). Так контролер клавиатуры всегда является встроенным. На современных материнских платах обычно имеются встроенные контролеры дисководов, портов ввода-вывода, иногда видеоконтроллер и аудиоконтролер. Разным пользователям в компьютере нужен разный набор контролеров. Поэтому материнские платы продаются как со встроенными видео- и аудиоконтролерами, так и без них. Поэтому видео-, аудиоконтролеры и др. располагаются на отдельных электронных платах – платах контролеров. Эти платы вставляются в специальные разъемы (слоты) на материнской плате компьютера.
Одним из контролеров, которые присутствуют почти в каждом компьютере, является контролер портов ввода-вывода. Порты ввода-вывода бывают следующих типов:
Внешняя память реализуется в виде довольно разнообразных устройств хранения информации и обычно конструктивно оформляется в виде самостоятельных блоков. Сюда, прежде всего, следует отнести накопители на гибких и жестких магнитных дисках (последние пользователи жаргонно именуют винчестерами), а также оптические дисководы (устройства для работы с CD-ROM). В конструкции устройств внешней памяти имеются механически движущиеся части, поэтому скорость их работы существенно ниже, чем у полностью электронной внутренней памяти. Тем не менее, внешняя память позволяет сохранить огромные объемы информации с целью последующего использования. Подчеркнем, что информация во внешней памяти, прежде всего, предназначена для самого компьютера и поэтому хранится в удобной ему форме; человек без использования машины не в состоянии, например, даже отдаленно представить содержимое немаркированной дискеты или диска CD-ROM. Современные программные системы способны объединять внутреннюю и внешнюю память в единое целое, причем так, чтобы наиболее редко используемая информация попадала в более медленно работающую внешнюю память. Такой метод дает возможность очень существенно расширить объем обрабатываемой с помощью компьютера информации. Если процессор дополнить памятью, то такая система уже может быть работоспособной. Ее существенным недостатком является невозможность узнать что-либо о происходящем внутри такой системы. Для получения информации о результатах необходимо дополнить компьютер устройствами вывода, которые позволяют представить их в доступной человеческому восприятию форме. Наиболее распространенным устройством вывода является дисплей, способный быстро и оперативно отображать на своем экране как текстовую, так и графическую информацию. Для того чтобы получить копию результатов на бумаге, используют печатающее устройство, или принтер; плоттер (графопостроитель), ризограф. Наконец, поскольку пользователю часто требуется вводить в компьютерную систему новую информацию, необходимы еще и устройства ввода. Простейшим устройством ввода является клавиатура. Широкое распространение программ с графическим интерфейсом способствовало популярности другого устройства ввода — манипулятора мышь. Наконец, очень эффективным современным устройством для автоматического ввода информации в компьютер является сканер, позволяющий не просто преобразовать картинку с листа бумаги в графический компьютерный файл, но и с помощью специального программного обеспечения распознать в прочитанном изображении текст и сохранить его в виде, пригодном для редактирования в обычном текстовом редакторе. Быстродействие различных компонентов компьютера (процессора, оперативной памяти и контролеров периферийных устройств) может существенно различаться. Для согласования быстродействия на системной плате устанавливаются специальные микросхемы (чипсеты), включающие в себя контролер оперативной памяти (так называемый северный мост) и контролер периферийных устройств (южный мост). Теперь, когда мы знаем основные устройства компьютера и их функции, осталось выяснить, как они взаимодействуют между собой. Взаимосвязь основных устройств. Напомним, что для связи основных устройств компьютера между собой используется специальная информационная магистраль, обычно называемая инженерами шиной, параллельная, 64 бита. Шина состоит из трех частей:
Рассмотрим в качестве примера, как процессор читает содержимое ячейки памяти. Убедившись, что шина в данный момент свободна, процессор помещает на шину адреса требуемый адрес и устанавливает необходимую служебную информацию (операция – чтение, устройство – ОЗУ и т.п.) на шину управления. Теперь ему остается только ожидать ответа от ОЗУ. Последнее, "увидев" на шине обращенный к нему запрос на чтение информации, извлекает содержимое необходимой ячейки и помещает его на шину данных. Разумеется, реальный процесс значительно подробнее, но нас сейчас не интересуют технические детали. Особо отметим, что обмен по шине при определенных условиях и при наличии определенного вспомогательного оборудования может происходить и без непосредственного участия процессора, например, между устройством ввода и внутренней памятью. Магистральная структура позволяет легко подсоединять к компьютеру именно те внешние устройства, которые нужны для данного пользователя. Благодаря ей удается скомпоновать из стандартных блоков любую индивидуальную конфигурацию компьютера. Билет 6 Устройства памяти компьютера. Носители информации (гибкие диски, жесткие диски, диски CD-ROM/R/RW,DVD и др.) Основной функцией внешней памяти компьютера является способность долговременно хранить большой объем информации (программы, документы, аудио- и видеоклипы и пр.). Устройство, которое обеспечивает запись/считывание информации, называется накопителем, или дисководом, а хранится информация на носителях (например, дискетах). Внешняя память в отличие от оперативной памяти является энергонезависимой. Основные виды накопителей:
Им соответствуют основные виды носителей:
Накопители принято делить на виды и категории в связи с их принципами функционирования, эксплуатационно-техническими, физическими, программными и др. характеристиками. Так, например, по принципам функционирования различают следующие виды устройств: электронные, магнитные, оптические и смешанные – магнитооптические. Каждый тип устройств организован на основе соответствующей технологии хранения/воспроизведения/записи цифровой информации. Поэтому в связи с видом и техническим исполнением носителя информации различают электронные, дисковые и ленточные устройства. Основные характеристики накопителей и носителей:
Магнитный принцип записи и считывания информации. В накопителях на гибких магнитных дисках (НГМД) и накопителях на жестких магнитных дисках (НЖМД), или винчестерах, в основу записи информации положено намагничивание ферромагнетиков в магнитном поле, хранение информации основывается на сохранении намагниченности, а считывание информации базируется на явлении электромагнитной индукции. В процессе записи информации на гибкие и жесткие магнитные диски головка дисковода с сердечником из магнитомягкого материала (малая остаточная намагниченность) перемещается вдоль магнитного слоя магнитожесткого носителя (большая остаточная намагниченность). На магнитную головку поступают последовательности электрических импульсов (последовательности логических единиц и нулей), которые создают в головке магнитное поле. В результате последовательно намагничиваются (логическая единица) или не намагничиваются (логический нуль) элементы поверхности носителя. В отсутствие сильных магнитных полей и высоких температур элементы носителя могут сохранять свою намагниченность в течение долгого времени (лет и десятилетий). При считывании информации при движении магнитной головки над поверхностью носителя намагниченные участки носителя вызывают в ней импульсы тока (явление электромагнитной индукции). Последовательности таких импульсов передаются по магистрали в оперативную память компьютера. Гибкие магнитные диски. Гибкие магнитные диски помещаются в пластмассовый корпус. Такой носитель информации называется дискетой. В центре дискеты имеется приспособление для захвата и обеспечения вращения диска внутри пластмассового корпуса. Дискета вставляется в дисковод, который вращает диск с постоянной угловой скоростью. При этом магнитная головка дисковода устанавливается на определенную концентрическую дорожку диска, на которую и производится запись или с которой производится считывание информации. Информационная емкость дискеты невелика и составляет всего 1,44 Мбайт. Скорость записи и считывания информации также мала (составляет всего около 50 Кбайт/с) из-за медленного вращения диска (360 об/мин). В целях сохранения информации гибкие магнитные диски необходимо предохранять от воздействия сильных магнитных полей и нагревания, так как такие физические воздействия могут привести к размагничиванию носителя и потере информации. Жесткие магнитные диски. Жесткий магнитный диск представляет собой один или несколько дисков, размещенных на одной оси, заключенных в металлический корпус и вращающихся с большой угловой скоростью. За счет гораздо большего количества дорожек на каждой стороне дисков и большого количества дисков информационная емкость жесткого диска может в сотни тысяч раз превышать информационную емкость дискеты и достигать 1 Терабайт. Скорость записи и считывания информации с жестких дисков достаточно велика за счет быстрого вращения дисков (7200 об./мин). В жестких дисках используются достаточно хрупкие и миниатюрные элементы (пластины носителей, магнитные головки и пр.), поэтому в целях сохранения информации и работоспособности жесткие диски необходимо оберегать от ударов и резких изменений пространственной ориентации в процессе работы. Оптический принцип записи и считывания информации. В лазерных дисководах CD-ROM и DVD-ROM используется оптический принцип записи и считывания информации. В процессе записи информации на лазерные диски для создания участков поверхности с различными коэффициентами отражения применяются различные технологии: от простой штамповки до изменения отражающей способности участков поверхности диска с помощью мощного лазера. Информация на лазерном диске записывается на одну спиралевидную дорожку (как на грампластинке), содержащую чередующиеся участки с различной отражающей способностью. При соблюдении правил хранения (в футлярах в вертикальном положении) и эксплуатации (без нанесения царапин и загрязнений) оптические носители могут сохранять информацию в течение десятков лет. В процессе считывания информации с лазерных дисков луч лазера, установленного в дисководе, падает на поверхность вращающегося диска и отражается. Так как поверхность лазерного диска имеет участки с различными коэффициентами отражения, то отраженный луч также меняет свою интенсивность (логические 0 или 1). Затем отраженные световые импульсы преобразуются с помощью фотоэлементов в электрические импульсы и по магистрали передаются в оперативную память. Лазерные дисководы и диски. Лазерные дисководы (CD-ROM и DVD-ROM) используют оптический принцип чтения информации. На лазерных CD-ROM (CD – Compact Disk, компакт-диск) и DVD-ROM (DVD – Digital Versatile Disk, универсальный цифровой диск) дисках хранится информация, которая была записана на них в процессе изготовления. Запись на них новой информации невозможна, что отражено во второй части их названий: ROM (Read Only Memory – память только для чтения). Производятся такие диски путем штамповки и имеют серебристый цвет. Информационная емкость CD-ROM диска может достигать 700 Мбайт, а скорость считывания информации в CD-ROM-накопителе зависит от скорости вращения диска. DVD-диски имеют гораздо большую информационную емкость (до 17 Гбайт) по сравнению с CD-дисками. Во-первых, используются лазеры с меньшей длиной волны, что позволяет размещать оптические дорожки более плотно. Во-вторых, информация на DVD-дисках может быть записана на двух сторонах, причем в два слоя на одной стороне. Односторонние однослойные DVD-диски имеют объем 4,7 Гбайт (их часто называют DVD-5, т.е. диски емкостью около 5 Гбайт), двусторонние однослойные – 9,4 Гбайт (DVD-10), односторонние двухслойные – 8,5 Гбайт (DVD-9), а двусторонние двухслойные – 17 Гбайт (DVD-18). В зависимости от объема требующих хранения данных и выбирается тип DVD-диска. Первое поколение DVD-ROM-накопителей обеспечивало скорость считывания информации примерно 1,3 Мбайт/с. В настоящее время 16-скоростные DVD-ROM-дисководы достигают скорости считывания до 21 Мбайт/с и выше. Существуют CD-R и DVD-R-диски (R – recordable, записываемый). Информация на такие диски может быть записана, но только один раз. На дисках CD-RW и DVD-RW (RW – Rewritable, перезаписываемый), которые имеют «платиновый» оттенок, информация может быть записана многократно. Для записи и перезаписи на диски используются специальные CD-RW и DVD-RW-дисководы, которые обладают достаточно мощным лазером, позволяющим менять отражающую способность участков поверхности в процессе записи диска. Такие дисководы позволяют записывать и считывать информацию с дисков с различной скоростью. Flash-память. Flash-память – это энергонезависимый тип памяти, позволяющий записывать и хранить данные в микросхемах. Карты flash-памяти не имеют в своем составе движущихся частей, что обеспечивает высокую сохранность данных при их использовании в мобильных устройствах (портативных компьютерах, цифровых камерах и др.). Flash-память представляет собой микросхему, помещенную в миниатюрный плоский корпус. Для считывания или записи информации карта памяти вставляется в специальные накопители, встроенные в мобильные устройства или подключаемые к компьютеру через USB-порт. Билет 7. Программное обеспечение компьютера (системное и прикладное) Для того чтобы компьютер мог полноценно функционировать, он должен не только быть оснащен различными центральными и периферийными устройствами, отвечающими последним требованиям времени. Для полноценной работы достаточно и более скромного компьютера. Но совершенно невозможно представить его себе без программ, которые, собственно, и делают его полноценным техническим устройством. Персональные компьютеры – это универсальные устройства для обработки информации. В отличие от телефона, магнитофона или телевизора, осуществляющих только заранее заложенные в них функции, персональные компьютеры могут выполнять любые действия по обработке информации. Для этого необходимо составить для компьютера на понятном ему языке точную и подробную последовательность инструкций (т.е. программу), как надо обрабатывать информацию. Сам по себе компьютер не обладает знаниями ни в одной области своего применения, все эти знания сосредоточены в выполняемых на компьютере программах. Поэтому часто употребляемое выражение "компьютер сделал" (подсчитал, нарисовал) означает ровно то, что на компьютере была выполнена программа, которая позволила совершить соответствующее действие. Используя различные программы, можно превратить компьютер в рабочее место бухгалтера или конструктора, статистика или агронома, редактировать на нем документы или играть в какую-нибудь игру. Для эффективного использования компьютера необходимо знать назначение и свойства необходимых при работе с ним программ. Программным обеспечением ЭВМ (в частности, персонального компьютера, далее ПО) называют совокупность программных средств для ЭВМ и их систем любого класса и типа, обеспечивающих функционирование, диагностику и тестирование их аппаратных средств, а также разработку, отладку и выполнение любых задач пользователя, где в качестве пользователя может выступать как человек, так и любое внешнее устройство, подключенное к ЭВМ и нуждающееся в ее ресурсах, а также совокупность необходимых для эксплуатации этих программных средств документов. Аппаратное (hardware) и программное (software) обеспечение ЭВМ тесно связаны. Основная тенденция здесь такая: более сложные программные продукты требуют более совершенных аппаратных средств. Основными характеристиками программного обеспечения являются:
Все программное обеспечение ЭВМ можно условно разделить на следующие группы:
Системное программное обеспечение управляет всеми ресурсами ЭВМ (центральный процессор, память, внешние устройства, и др.) и осуществляет общую организацию процесса обработки информации и взаимодействие с пользователем. Прикладное программное обеспечение составляют пакеты прикладных программ, предназначенных для решения определенного круга задач пользователем из различных проблемных областей. Системы программирования (инструментальное программное обеспечение) предназначено для создания оригинальных программных средств в любой проблемной области, в том числе и производства системного программного обеспечения. В недавнем прошлом системы программирования являлись инструментами программистов-профессионалов и позволяли создавать программы на различных языках программирования (Basic, Pascal, C и др.). В настоящее время широкое распространение получили системы визуального программирования (Visual Basic, Borland Delphi и др.), которые позволяют даже начинающему пользователю компьютера создавать несложные программы.
|
