Функционална структура на компютър. Функционално-структурна организация на персонален компютър. Компютърът функционира като система за обработка на данни
Описание на презентацията на отделни слайдове:
1 слайд
Описание на слайда:
2 слайд
Описание на слайда:
Вътрешната памет е електронно устройство, което съхранява информация, докато се захранва от електричество. Когато компютърът е изключен от мрежата, информация от оперативна паметизчезва. Програмата, докато се изпълнява, се съхранява в вътрешна паметкомпютър. (Принцип на фон Нойман - принцип на запаметена програма). Външната памет е различни магнитни носители (ленти, дискове), оптични дискове. Запазването на информация върху тях не изисква постоянно захранване. Фигурата показва диаграма на компютърно устройство, като се вземат предвид два вида памет. Стрелките показват посоките обмен на информация
3 слайд
Описание на слайда:
1. Включени устройства системен блок 1.1. Дънна платка Дънната платка осигурява комуникация между всички компютърни устройства чрез предаване на сигнал от едно устройство на друго. На повърхност дънна платкаима голям брой конектори, предназначени за инсталиране на други устройства: гнезда - гнезда за процесори; слотове - слотове за RAM и разширителни карти; I/O порт контролери. Дънна платка - печатна електронна платкавърху който са монтирани повечето от компонентите на компютърната система. Името идва от английското дънна платка, понякога се използва съкращението MB или думата mainboard - основната платка.
4 слайд
Описание на слайда:
A - конектор (гнездо) на централния процесор B - конектори за устройство с памет с произволен достъп C - конектори за свързване на видеокарта, вътрешен модем и др. D - конектори за свързване на външни входно / изходни устройства 1. Устройства, включени в системния блок 1.1. Дънна платка Установете съответствие между конекторите, посочени на фигурата (устройства за превключване) и тяхното предназначение:
5 слайд
Описание на слайда:
Процесорът има голям радиатор, охлаждан от вентилатор (охладител). Структурно процесорът се състои от клетки, в които данните могат не само да се съхраняват, но и да се променят. Вътрешните клетки на процесора се наричат регистри. Устройства, включени в системния блок 1.2. Централен процесор Централният процесор или централен процесор (CPU) (английски централен процесор - CPU) е основната микросхема на компютъра, в която се извършват всички изчисления.
6 слайд
Описание на слайда:
адресна шина. При Процесори на Intel Pentium (а именно те са най-често срещаните днес в персоналните компютри) адресната шина е 32-битова, т.е. състои се от 32 паралелни линии. Шина за данни. Тази шина се използва за копиране на данни от RAM в регистрите на процесора и обратно. В компютри, сглобени на базата на процесори Intel Pentium, шината за данни е 64-битова, т.е. състои се от 64 реда, по които 8 байта се изпращат за обработка наведнъж. Командна шина. За да може процесорът да обработва данни, той се нуждае от инструкции. Той трябва да знае какво да прави с тези байтове, които се съхраняват в неговите регистри. Тези команди идват към процесора също от RAM, но не от тези области, където се съхраняват масиви от данни, а от мястото, където се съхраняват програми. Командите също се представят като байтове. Най-простите команди се побират в един байт, но има и такива, които изискват два, три или повече байта. Устройства, включени в системния блок 1.2. Централен процесор С останалите компютърни устройства и предимно с RAM, процесорът е свързан с няколко групи проводници, наречени шини. Има три основни шини: шина за данни, шина за адреси и шина за команди.
7 слайд
Описание на слайда:
Работното напрежение на процесора се осигурява от дънната платка, така че различните марки процесори отговарят на различни дънни платки (те трябва да бъдат избрани заедно). Ранните модели процесори имаха работно напрежение 5V, а в момента е под 3V. Капацитетът на процесора показва колко бита данни той може да получи и обработи в своите регистри наведнъж (за тактов цикъл). Първите процесори бяха 4-битови. Процесорът е базиран на същия часовников принцип като при конвенционалните часовници. Изпълнението на всяка команда отнема определен брой цикли. В персонален компютър тактовите импулси се задават от една от микросхемите, включени в комплекта микропроцесор (чипсет), разположен на дънната платка. Колкото по-висока е честотата на часовниците, получена от процесора, толкова повече команди може да изпълни за единица време, толкова по-висока е производителността на процесора. Обменът на данни в рамките на процесора е няколко пъти по-бърз от обмена с други устройства, като RAM. За да се намали броят на достъпите до RAM, вътре в процесора се създава буферна област - така наречената кеш памет. Това е като "супер бърза памет". Когато процесорът се нуждае от данни, той първо осъществява достъп до кеш паметта и само ако необходимите данни липсват, той осъществява достъп до RAM Устройства, които са част от системния модул 1.2. Централен процесор Основните параметри на процесорите са: работно напрежение, битова дълбочина, работна тактова честота, вътрешен часовник и размер на кеша.
8 слайд
Описание на слайда:
Има два вида RAM - памет с произволен достъп (RAM) и памет само за четене (ROM). Паметта с произволен достъп (RAM) се използва за съхраняване на програми, данни и междинни резултати от изчисления по време на работа на компютъра. Данните могат да се избират от паметта в произволен ред, а не строго последователно, както е например при работа с магнитна лента. Устройства, включени в системния блок 1.3. Памет с произволен достъп Памет с произволен достъп (RAM - Random Access Memory). Паметта само за четене (ROM) се използва за постоянно съхраняване на определени програми, като програми начално зарежданеКомпютър - BIOS (основна входно-изходна система - базова система I/O). Съдържанието на тази памет не може да се променя, докато компютърът работи. RAM е непостоянна, т.е. данните се съхраняват в нея само докато компютърът не бъде изключен.
9 слайд
Описание на слайда:
За разлика от "гъвкавия" диск (флопи диск), информацията в твърдия диск се записва върху твърди (алуминиеви или стъклени) пластини, покрити със слой от феромагнитен материал. Четящите глави в работен режим не докосват повърхността на плочите поради въздушния слой, образуван при бързото въртене на дисковете. Устройства, включени в системния блок 1.4. HDDТвърд диск, твърд диск или твърд диск (на английски Hard Disk Drive, HDD) - енергонезависимо, презаписваемо компютърно устройство за съхранение
10 слайд
Описание на слайда:
Името "winchester" е дадено на твърдия диск благодарение на IBM, която през 1973 г. пуска модела 3340 твърд диск, който за първи път комбинира дискове и четящи глави в един корпус "всичко в едно". По време на разработването му инженерите използваха краткото вътрешно наименование „30-30“, което означаваше два модула (в максималното оформление) по 30 MB всеки. Кенет Хотън, ръководител на проекта, в съответствие с наименованието на популярната ловна пушка "Winchester 30-30", предложи този диск да се нарече "Winchester". В Европа и Америка името "Уинчестър" изчезна от употреба през 90-те години на миналия век; в руския компютърен жаргон се запази името "твърд диск", съкратено до думата "винт". Устройства, включени в системния блок 1.4. HDD
11 слайд
Описание на слайда:
Интерфейсът е метод, използван за прехвърляне на данни. Съвременните устройства могат да използват интерфейси ATA (IDE, EIDE), Serial ATA, SCSI, SAS, FireWire, USB и Fibre Channel. Капацитет - количеството данни, което може да се съхранява на устройството. Капацитетът на съвременните устройства може да достигне до 1,5 TB, твърдите дискове с капацитет 80, 120, 200, 320 GB са често срещани в компютрите днес. За разлика от системата от префикси, приети в компютърните науки, обозначаващи кратно на 1024 стойност (килограм \u003d 1024), производителите при обозначаване на капацитет твърди дисковесе използват кратни на 1000. Така например "реалният" капацитет на твърд диск с надпис "200 GB" е 186,2 GB. Физически размер - почти всички съвременни дискове за персонални компютри и сървъри са с размер 3,5 или 2,5 инча. Последните се използват по-често в лаптопите. Скорост на шпиндела - броят на оборотите на шпиндела в минута. Времето за достъп и скоростта на трансфер на данни до голяма степен зависят от този параметър. В момента твърдите дискове се произвеждат със следните стандартни скорости на въртене: 4200, 5400 и 7200 (лаптопи), 7200 и 10 000 (персонални компютри), 10 000 и 15 000 оборота в минута. (сървъри и високопроизводителни работни станции). Устройства, включени в системния блок 1.4. Характеристики на твърдия диск
12 слайд
Описание на слайда:
Обикновено видеокартата е разширителна карта и се поставя в специален слот (ISA, VLB, PCI, AGP, PCI-Express) за видеокарти на дънната платка, но може да бъде и вградена. Модерната графична карта се състои от следните основни части: Графичен процесор (GPU) - занимава се с изчисленията на изходното изображение, освобождавайки от тази отговорност процесор, извършва изчисления за обработка на команди 3D графики. Графична карта (известна още като графична карта, видеокарта, видео адаптер) (англ. videocard) е устройство, което преобразува изображение, съхранено в паметта на компютъра, във видео сигнал за монитор. Устройства, включени в системния блок 1.5. Графична карта Видео контролер - отговаря за формирането на изображението във видео паметта. Видео памет - действа като буфер, в който се съхранява изображение в цифров формат, предназначено за показване на екрана на монитора. Цифрово-аналогов преобразувател (DAC) - използва се за преобразуване на изображението, генерирано от видеоконтролера, в нива на интензитет на цвета, подавани на аналогов монитор
13 слайд
Описание на слайда:
На дънната платка звуковата карта е инсталирана в слотовете ISA (наследен формат) или PCI (модерен формат). Когато звуковата карта е инсталирана, на задния панел на корпуса на компютъра се появяват портове за свързване на високоговорители, слушалки и микрофон Устройства, включени в системния модул 1.6. Звукова карта Звуковата карта (наричана още звукова карта, аудио адаптер) се използва за запис и възпроизвеждане на различни звукови сигнали: реч, музика, звукови ефекти. 1.7. Мрежова карта Мрежовата карта (известна още като Мрежова карта, мрежов адаптер, Ethernet карта, NIC (англ. мрежова интерфейсна карта)) - печатна платка, която позволява на компютрите да взаимодействат помежду си чрез локална мрежа. Обикновено мрежовата карта идва като отделно устройство и се вкарва в слотовете за разширение на дънната платка (най-вече PCI, ранните модели използват ISA шината).
14 слайд
Описание на слайда:
Обикновено флопи дискът е гъвкава пластмасова плоча, покрита с феромагнитен слой, откъдето идва и английското наименование "флопи диск" ("флопи диск"). Тази плоча е поставена в защитна обвивка, която предпазва магнитния слой от физическо увреждане. Черупката е гъвкава или издръжлива. Дискетите се записват и четат с помощта на специално устройство - дисково устройство (флопи диск). Флопи дисковете обикновено имат функция за защита от запис, която ви позволява да предоставите достъп само за четене на данни. Устройства, включени в системния блок 1.8. 3,5" флопи дисково устройство Флопи дискът е преносим магнитен носител за съхранение, използван за повтарящ се запис и съхранение на сравнително малки данни. 3½" (90 мм) флопи диск беше представен на пазара. По-късна версия има капацитет от 1440 килобайта или 1,40 мегабайта Именно този тип флопи диск стана стандарт и се използва и до днес.
15 слайд
Описание на слайда:
Устройства, включени в системния блок 1.9. Компакт дискови устройства Цифровата информация е представена на компактдиска чрез редуващи се вдлъбнатини (неотразяващи петна) и светлоотразителни острови. Един компактдиск има само една физическа писта под формата на непрекъсната спирала, преминаваща от външния диаметър на диска към вътрешния диаметър. Четенето на информация от CD става с помощта на лазерен лъч, който, попадайки върху отразяващ остров, се отклонява от фотодетектор, който интерпретира това като двоична единица. Лазерният лъч, влизащ в кухината, се разпръсква и абсорбира: фотодетекторът фиксира двоична нула. Скоростта на трансфер на данни за устройството се определя от скоростта на въртене на диска. Обикновено се определя в сравнение със стандарта Audio CD, за който скоростта на четене на данни е около 150 Kb / s. Тези. CDx2 означава, че скоростта на обмен на данни с такъв диск е два пъти по-висока от 150 KB / s. максимална скороствъртенето на CD надвишава скоростта на четене на Audio CD с 52 пъти. 52x150 KB/s=7800 KB/s. Понастоящем дисковете с възможност за еднократен запис (CD-R) и презаписване (CD-RW) на информация са станали достъпни за масовия потребител.
16 слайд
Описание на слайда:
Устройства, включени в системния блок 1.10. DVD устройства DVD-та(Digital Versatile Disc, цифров многоцелеви или универсален диск) са оптични дискове с голям капацитет, които се използват за съхранение на пълнометражни филми, висококачествена музика и компютърни програми. Има няколко варианта на DVD, различаващи се по капацитет: едностранно и двустранно, еднослойно и двуслойно. Едностранните еднослойни DVD са с капацитет 4,7 GB информация, двуслойните - 8,5 GB; двустранният еднослоен може да побере 9,4 GB, двуслойният - 17 GB. лазерен лъч в норма CD-ROM устройствоима дължина на вълната 780 nm, а в DVD устройствата - от 635 nm до 650 nm, поради което плътността DVD записзначително по-висока. В допълнение към четенето на данни от DVD със скорост от около 1,2 MB / s, DVD устройстваспособен да чете обикновени CD-ROM дискове със скорост, приблизително еквивалентна на 8-10 скоростни CD-ROM устройства.
18 слайд
Описание на слайда:
Тъй като персоналните компютри са широко разпространени в момента, ще разгледаме подробно тяхната функционална и структурна организация.
Основните блокове на компютъра и тяхното предназначение
Структурна схема персонален компютърпоказано на фиг. 3.13.
Ориз. 3.13. Структурна схема на компютър
Микропроцесор
Микропроцесор ( MP) е централно компютърно устройство, предназначено да контролира работата на всички машинни блокове и да извършва аритметични и логически операции с информация.
Микропроцесорът се състои от няколко компонента.
Ÿ Управляващо устройство (УУ): генерира и подава определени управляващи сигнали (управляващи импулси) към всички блокове на машината в точното време, поради спецификата на извършваната операция и резултатите от предишни операции; формира адресите на клетките на паметта, използвани от изпълняваната операция, и прехвърля тези адреси към съответните блокове на компютъра; управляващото устройство получава еталонната импулсна последователност от генератора на тактови импулси.
Ÿ Аритметично логическо устройство (ALU): проектирано да извършва всички аритметични и логически операции върху числова и символна информация (в някои модели компютри към ALU е свързан допълнителен математически копроцесор, за да се ускори изпълнението на операциите ).
Ÿ Микропроцесорна памет (MPM): предназначена за краткотрайно съхранение, запис и извеждане на информация, използвана директно в следващите цикли на машината; MPP е изграден върху регистри, за да осигури висока скорост на машината, тъй като основната памет (OP) не винаги осигурява скоростта на запис, търсене и четене на информация, необходима за ефективната работа на високоскоростен микропроцесор. Регистрите са високоскоростни клетки от паметта с различна дължина (за разлика от OP клетките, които имат стандартна дължина от 1 байт и по-ниска скорост).
Ÿ Микропроцесорната интерфейсна система е предназначена за взаимодействие и комуникация с други компютърни устройства; включва вътрешен MP интерфейс, регистри за буферно съхранение и управляващи вериги за входно-изходни портове (I/O) и системната шина.
И така, интерфейсът (интерфейс) - набор от средства за взаимодействие и комуникация на компютърни устройства, осигуряващи тяхното ефективно взаимодействие.
I / O порт - елементи на системния интерфейс на компютъра, чрез който MP обменя информация с други устройства.
Ÿ Генераторът на тактови импулси генерира поредица от електрически импулси, чиято честота определя тактовата честота на микропроцесора. Интервалът от време между съседни импулси определя времето на един цикъл или просто цикъла на машината. Честотата на генератора на тактови импулси е една от основните характеристики на персоналния компютър и до голяма степен определя скоростта на неговата работа, тъй като всяка операция в компютъра се извършва в определен брой цикли.
Системна шина
Системната шина е основната интерфейсна система на компютъра, която осигурява интерфейс и комуникация на всички негови устройства помежду си. Системната шина включва:
Ÿ шина за кодови данни (CDB), съдържаща проводници и интерфейсни вериги за паралелно предаване на всички цифри от цифровия код (машинната дума) на операнда;
Ÿ адресна кодова шина (CBA), съдържаща проводници и интерфейсни вериги за паралелно предаване на всички цифри от адресния код на клетката на основната памет или входно-изходния порт на външно устройство;
Ÿ кодова шина за инструкции (KHI), съдържаща проводници и интерфейсни вериги за предаване на инструкции (контролни сигнали, импулси) към всички машинни блокове;
Ÿ захранваща шина, съдържаща проводници и интерфейсни вериги за свързване на компютърни устройства към захранващата система.
Системната шина осигурява три посоки за трансфер на информация:
Ÿ между микропроцесор и основна памет;
Ÿ между микропроцесора и входно-изходните портове на външни устройства;
Ÿ между основната памет и I/O портовете на външни устройства (в режим на директен достъп до паметта).
Всички блокове, или по-скоро техните входно-изходни портове, са свързани към шината по един и същ начин чрез съответните унифицирани съединители (фуги): директно или чрез контролери (адаптери). Системната шина се управлява от микропроцесора директно или по-често чрез допълнителен контролен чип. гуми, който формира основните управляващи сигнали. Обменът на информация между външни устройства и системната шина се извършва с помощта на ASCII кодове.
Главна памет
Основната памет (OP) е предназначена за съхраняване и бърз обмен на информация с други блокове на машината. OP съдържа два типа устройства за съхранение: памет само за четене (ROM) и памет с произволен достъп (RAM).
Ÿ ROM (памет само за четене) е проектирана да съхранява непроменим (постоянен) софтуер и обща информация; ви позволява бързо да четете само информацията, съхранена в него (невъзможно е да промените информацията в ROM);
Ÿ RAM (RAM - Random Access Memory) е предназначена за оперативен запис, съхранение и четене на информация (програми и данни), участваща пряко в информационния и изчислителен процес, извършван от компютъра в текущия период от време.
Основните предимства на RAM са високата производителност и възможността за достъп до всяка клетка от паметта поотделно (директен адресен достъп до клетката). Като недостатък на RAM паметта трябва да се отбележи невъзможността за съхраняване на информация в нея след изключване на захранването на машината (волатилност).
В допълнение към основната памет, дънната платка на компютъра има и енергонезависима памет. CMOS RAM (допълнителна металооксидна полупроводникова RAM), постоянно захранвана от своята батерия; той съхранява информация за хардуерната конфигурация на компютъра (за целия наличен хардуер в компютъра), която се проверява при всяко включване на системата.
Външна памет
Външната памет се отнася за външни компютърни устройства и се използва за дългосрочно съхранение на всякаква информация, която някога може да е необходима за решаване на проблеми. По-специално, целият компютърен софтуер се съхранява във външна памет. Външната памет е представена от различни видове устройства за съхранение, но най-често срещаните от тях, налични на почти всеки компютър, са твърдите дискове, показани на блоковата диаграма. (HDD) и флопи (FPHD) магнитни дискове.
Целта на тези устройства: съхранение на големи количества информация, запис и издаване на информация при поискване в паметта с произволен достъп. HDMD и NGMD се различават конструктивно по обема на съхраняваната информация и времето на нейното търсене, запис и четене. Като устройства за външна памет също често се използват оптични дискови устройства (CD ROM - Compact Disk Read Only Memory) и по-рядко - устройства за съхранение на касета с магнитна лента (NKML, стримери).
Източник на сила
Захранване - блок, съдържащ автономни и мрежови захранващи системи за компютър.
Таймер
Таймер - в машината Цифров часовникв реално време, осигурявайки, ако е необходимо, автоматично премахване на текущия момент от време (година, месец, часове, минути, секунди и части от секунди). Таймерът е свързан към автономен източник на захранване - батерия и при изключване на машината от електрическата мрежа продължава да работи.
Външни устройства
Външните устройства (ED) на компютър са най-важният компонент на всеки изчислителен комплекс, достатъчно е да се каже, че по отношение на разходите, ED представляват до 80–85% от цената на целия компютър.
VU PC осигурява взаимодействието на машината с околната среда: потребители, обекти за управление и други компютри.
Външните устройства включват:
Ÿ външни устройства за съхранение (VSD) или външна памет на компютър;
Ÿ интерактивни потребителски инструменти;
Ÿ входни устройства;
Ÿ устройства за извеждане на информация;
Ÿ средства за комуникация и телекомуникации.
Диалоговите инструменти на потребителя включват:
Ÿ видео монитор (видео терминал, дисплей ) - устройство за показване на въведена и изведена информация от компютър;
Ÿ речеви входно-изходни устройства са бързо развиващи се мултимедийни инструменти. Това са различни микрофони. акустични системи, "звукови мишки" със сложен софтуер, който може да разпознава, идентифицира и кодира човешки изговорени букви и думи; звукови синтезатори, които преобразуват цифрови кодове в букви и думи, които се възпроизвеждат през високоговорители (говорители) или високоговорители, свързани към компютър.
Входните устройства включват:
клавиатура - устройство за ръчно въвеждане на цифрова, текстова и контролна информация в компютър;
графични таблети(дигитайзери) - устройства за ръчно въвеждане на графична информация, изображения чрез преместване на специален показалец (писалка) през таблета; при преместване на писалката автоматично се четат координатите на нейното местоположение и тези координати се въвеждат в компютъра;
Ÿ скенери (четящи машини) - оборудване за автоматично четене от хартиени и филмови носители и въвеждане на машинописни текстове, графики, чертежи, рисунки в компютър;
Ÿ устройства за насочване (графични манипулатори), предназначени за въвеждане на графична информация на екрана на дисплея чрез контролиране на движението на курсора върху екрана, последвано от кодиране на координатите на курсора и въвеждането им в компютъра (джойстик - лост, мишка, тракбол - топка в рамка, светеща химикалка и др.). d.);
сензорни екрани- за въвеждане отделни елементиизображения, програми или команди от екрана на компютъра.
Устройствата за извеждане на информация включват:
Ÿ принтери - Принтери за запис на информация върху хартиен или филмов носител;
Ÿ плотери (плотери) - устройства за извеждане на графична информация (графики, рисунки, рисунки) от компютър на хартия.
Комуникационните и телекомуникационните устройства се използват за комуникация с устройства и друго оборудване за автоматизация (съвпадащи интерфейси, адаптери, цифрово-аналогови и аналогово-цифрови преобразуватели и др.) и за свързване на компютър към комуникационни канали, към други компютри и компютър мрежи (мрежови интерфейсни платки и карти - мрежови адаптери, "възли", мултиплексори за предаване на данни, модеми - модулатори/демодулатори).
По-специално, показано на фиг. 4.1 мрежов адаптер се отнася до външния интерфейс на компютър и се използва за свързването му към комуникационен канал с цел обмен на информация с други компютри, когато работите като част от компютърна мрежа. Като мрежов адаптернай-често използваният модем.
Много от устройствата, споменати по-горе, принадлежат към конвенционално определената група мултимедийни инструменти.
Мултимедията (multimedia, multi-environment) е комплекс от хардуер и софтуерни инструменти, което позволява на човек да комуникира с компютър, използвайки различни естествени медии: звук, видео, графики, текстове, анимация и др. Мултимедията включва устройства за въвеждане на реч и устройства за извеждане на реч; микрофони и видеокамери, акустични и видео възпроизвеждащи системи с усилватели, високоговорители, големи видео екрани; Звукови и видео адаптери, карти за заснемане на видео, които улавят изображение от видеорекордер или видеокамера и го въвеждат в компютър; вече широко разпространени скенери, които ви позволяват автоматично да въвеждате печатни текстове и чертежи в компютър; накрая, външни устройства за масово съхранение на оптични дискове, често използвани за запис на аудио и видео информация.
Помислете за устройството на компютър, като използвате примера на най-разпространената компютърна система - персонален компютър. Персоналният компютър (PC) се нарича сравнително евтин универсален микрокомпютърза един потребител. Персоналните компютри обикновено се проектират на базата на принципа на отворената архитектура.
Принципът на отворената архитектура е следният:
· Само описанието на принципа на работа на компютъра и неговата конфигурация (определен набор от хардуер и връзки между тях) са регламентирани и стандартизирани. Така компютърът може да бъде сглобен от отделни компоненти и части, проектирани и произведени от независими производители.
· Компютърът може лесно да бъде разширен и надграден с вътрешни разширителни слотове, в които потребителят може да вмъкне различни устройства, които отговарят на определения стандарт, и по този начин да конфигурира своята машина според личните си предпочитания.
Опростена блокова диаграма, показваща основните функционални компоненти на компютърна система в тяхната връзка (Фигура 8.6).
Фигура 9.6 - Обща структура на персонален компютър със свързани периферни устройства
Фигура 9.7 - Блокова схема на персонален компютър
Нека анализираме функционалното предназначение на основните компоненти.
Микропроцесор (МП). Това е централното устройство на компютъра, предназначено да контролира работата на всички звена на машината и да извършва аритметични и логически операции с информация.
Микропроцесорът включва:
· контролно устройство(CU) - генерира и доставя определени управляващи сигнали (управляващи импулси) към всички блокове на машината в точното време; управляващото устройство получава еталонната импулсна последователност от генератора на тактови импулси;
· аритметично логическо устройство(ALU) - предназначен за извършване на всички аритметични и логически операции върху числова и символна информация (в някои модели компютри към ALU е свързан допълнителен математически копроцесор, за да се ускори изпълнението на операциите);
· микропроцесорна памет(MPP) - служи като ден за краткосрочно съхранение, запис и издаване на информация, директно използвана при изчисления в следващите цикли на машината. (MPP е изграден върху регистри и се използва за осигуряване на висока скорост на машината, тъй като основната памет (OP) не винаги осигурява скоростта на запис, търсене и четене на информация, необходима за ефективната работа на високоскоростен микропроцесор.)
микропроцесорна интерфейсна система- осъществява сдвояване и комуникация с други компютърни устройства; включва вътрешен MP интерфейс, буферни регистри за съхранение и управляващи вериги за входно-изходни портове (IOP) и системната шина. Интерфейс- това е средство за свързване на две устройства, в които всички физически и логически параметри са съвместими един с друг. Ако интерфейсът е общоприет, например одобрен на ниво международни споразумения, тогава той се нарича стандартен.
Тактов генератор . Генерира поредица от електрически импулси; честотата на генерираните импулси определя тактовата честота на машината, която е една от основните характеристики на персоналния компютър и до голяма степен определя скоростта на неговата работа, тъй като всяка операция в машината се извършва в определен брой цикли:
Системна шина . Това е основната интерфейсна система на компютър, която осигурява сдвояване и комуникация на всички негови устройства помежду си. Системната шина включва:
1. кодова шина за данни (KShD);
2. адресна кодова шина (КША);
3. шина с код на инструкция (KSI);
4. захранваща шина
Системната шина осигурява три посоки за трансфер на информация:
Между микропроцесора и основната памет;
между микропроцесора и входно-изходните портове на външни устройства;
· между основната памет и I/O портовете на външни устройства (в режим на директен достъп до паметта).
Главна памет (ОП). Предназначен е за съхраняване и бърз обмен на информация с други единици на машината. OP съдържа два типа устройства за съхранение: памет само за четене (ROM) и памет с произволен достъп (RAM).
ROMслужи за съхраняване на неизменна (постоянна) програма и референтен формат, позволява ви бързо да четете само информацията, съхранена в него (невъзможно е да промените информацията в ROM).
RAMе предназначен за оперативен запис, съхранение и четене на информация (програми и данни), пряко участваща в информационно-изчислителния процес, извършван от компютъра в текущия период от време.
Външна памет . Отнася се за външни компютърни устройства и се използва за дългосрочно съхранение на всякаква информация. По-специално, целият компютърен софтуер се съхранява във външна памет. Външната памет съдържа различни видове устройства за съхранение, като най-често срещаните са твърди дискове (HDD) и флопи дискови устройства (FPHD).
Целта на тези устройства е да съхраняват големи количества информация
Източник на сила . Това е блок, съдържащ автономни и мрежови захранващи системи за компютър.
Таймер . Това е вграден електронен часовник, който при необходимост осигурява автоматично премахване на текущия момент от времето (година, месец, часове, минути, секунди и части от секунди). Таймерът е свързан към автономен източник на захранване - батерията и продължава да работи, когато машината е изключена от електрическата мрежа.
Външни устройства (VU). По предназначение могат да се разграничат следните видове VU:
външни запаметяващи устройства (ВЗУ) или външна памет на компютър;
интерактивни потребителски инструменти;
входни устройства;
устройства за извеждане на информация;
средства за комуникация и телекомуникации.
Интерактивните потребителски инструменти включват видеомонитори (дисплеи), по-рядко конзолни пишещи машини (принтери с клавиатури) и устройства за речево въвеждане-извеждане на информация.
Входните устройства включват:
· клавиатура
Графични таблети (дигитайзери) - за ръчно въвеждане на графична информация, изображения чрез преместване на специален показалец (писалка) през таблета; при преместване на писалката автоматично се четат координатите на нейното местоположение и тези координати се въвеждат в компютъра;
Скенери
Манипулатори (посочващи устройства): джойстик - лост, мишка, тракбол - топка в рамка, светеща писалка и др. - за въвеждане на графична информация на екрана на дисплея чрез управление на движението на курсора върху екрана, последвано от кодиране на координатите на курсора и въвеждането им в компютъра;
сензорни екрани - за въвеждане на отделни елементи от изображението, програми или команди от дисплея на разделен екран в компютъра.
Изходните устройства включват:
принтери
Графични плотери (плотери)
За координиране на интерфейсите периферните устройства са свързани към шината не директно, а чрез техните контролери (адаптери) и портове приблизително съгласно следната схема (Фигура 8.8).
Фигура 9.8 - Схема за свързване на периферни устройства
Контролери и адаптериса комплекти от електронни схеми, които се доставят с компютърни устройства с цел съвместимост на техните интерфейси. Освен това контролерите извършват директно управление на периферните устройства по искане на микропроцесора.
Портовеустройствата са някои електронни схеми, съдържащи един или повече входно-изходни регистри и ви позволяват да свържете компютърни периферни устройства към външни шини на микропроцесора. Портовете се наричат още стандартни интерфейсни устройства: серийни, паралелни и игрови портове (или интерфейси).
Сериен порт комуникира с процесора байт по байт, а с външните устройства - бит по бит. Паралелен портполучава и изпраща данни байт по байт. Серийният порт обикновено се използва за свързване на бавни или доста отдалечени устройства като мишка и модем. Към паралелния порт са свързани още "бързи" устройства - принтер и скенер. Чрез порта за игра е свързан джойстик. Клавиатурата и мониторът са свързани към техните специализирани портове, които са само конектори.
Допълнителни схеми . Наред с типичните външни устройства, някои допълнителни платки с интегрални схемиразширяване и подобряване функционалностмикропроцесор: математически копроцесор, контролер за директен достъп до паметта, входно-изходен копроцесор, контролер за прекъсване и др.
3. Лекция. Архитектура на съвременните високопроизводителни компютри. Функционална структура на компютър. Основни понятия за функциониране. Компютърен софтуер. Основи на алгоритмизацията.
Входно устройство
блок памет
Аритметично логическо устройство
изходен блок
Контролен блок
Основни оперативни концепции
Структура на автобуса
Софтуер
Етапи на подготовка и решаване на задачи на компютър
Алгоритми и начини за тяхното описание
Функционална структура на компютър
Както следва от фиг. 3.1, компютърът се състои от пет основни, функционално независими части:
Входно устройство,
устройство с памет,
Аритметично логическо устройство,
изходно устройство и
Контролно устройство.
Входното устройство получава кодирана информация чрез цифрови комуникационни линии от оператори, електромеханични устройства като клавиатури или от други компютри в мрежата. Получената информация или се съхранява в паметта на компютъра за по-късна употреба, или незабавно се използва от аритметични и логически схеми за извършване на необходимите операции. Последователността на стъпките на обработка се определя от програмата, съхранена в паметта. Получените резултати се изпращат обратно към външния свят чрез изходно устройство. Всички тези действия се координират от контролния блок. На фиг. 3.1. умишлено не са показани връзки между функционални единици. Това се обяснява с факта, че такива връзки могат да бъдат реализирани по различни начини. Как точно, ще разберете малко по-късно. Аритметика и логикав комбинация с основните вериги за управление се нарича процесор, а входно-изходното оборудване, взето заедно, често се нарича входно-изходно устройство (входно-изходно устройство).
Сега да се обърнем към информацията, обработвана от компютъра. Удобно е да го разделите на две основни категории: команди и данни. Командите или машинните инструкции са изрично дадени инструкции, които:
Управлява трансфера на информация в компютъра, както и между компютъра и неговите входно-изходни устройства;
Определете аритметичните и логически операции, които трябва да бъдат извършени.
Списък от команди, които изпълняват някаква задача, се нарича програма. Програмите обикновено се съхраняват в паметта. Процесорът последователно извлича програмни инструкции от паметта и изпълнява дефинираните от тях операции. Компютърът се контролира изцяло от съхранената програма , с изключение на възможността за външна намеса от оператора и I/O устройствата, свързани към машината.
Данните са числа и кодирани знаци, използвани като операнди с инструкции. Терминът "данни" обаче често се използва за обозначаване на всяка цифрова информация. Според тази дефиниция самата програма (т.е. списъкът с команди) също може да се счита за данни, ако се обработва от друга програма. Пример за обработка на една програма от друга е компилирането на изходна програма, написана на език от високо ниво, в списък от машинни инструкции, съставляващи програма на машинен език, наречена обектна програма. Изходната програма се въвежда в компилатора, който я превежда в програма на машинен език.
Ориз. 3.1. Основен функционални устройствакомпютър
Информацията, предназначена за обработка от компютър, трябва да бъде кодирана във формат, подходящ за компютъра. Съвременният хардуер се основава предимно на цифрови схеми, които имат само две стабилни състояния, ВКЛЮЧЕНО и ИЗКЛЮЧЕНО (вижте лекция 2). В резултат на кодирането всяко число, знак или команда се преобразува в низ от двоични цифри, наречени битове, всяка от които има една от двете възможни стойности: 0 или 1. За представяне на числа (както ще стане ясно в глава 4) , обикновено се използва позиционна двоична нотация. Понякога се използва двоично кодиран десетичен формат (Binary-Coded Decimal, BCD), според който всяка десетична цифра се кодира отделно, като се използват четири бита.
Буквите и цифрите също се представят с помощта на двоични кодове. За тях са разработени няколко различни схеми за кодиране. Схемите ASCII (Американски стандартен код за обмен на информация) се считат за най-често срещаните. стандартен кодза обмен на информация), където всеки знак е представен от 7-битов код, и EBCDIC (разширен двоично кодиран десетичен код за обмен на данни - разширен двоично кодиран десетичен код за обмен на информация), който използва 8 бита за кодиране на знак.
3.1.1. Входно устройство
Компютърът получава кодирана информация чрез входно устройство, чиято задача е да прочете данните. Най-често срещаното устройство за въвеждане е клавиатурата. Когато потребителят натисне клавиш, съответната буква или цифра автоматично се преобразува в специфичен двоичен код и се изпраща по кабела към паметта или процесора.
Има редица други входни устройства, включително джойстици, тракболи и мишки. Те се използват заедно с дисплея като устройства за графично въвеждане. Микрофоните могат да се използват за аудио вход. Звуковите вибрации, които възприемат, се измерват и преобразуват в цифрови кодове за съхранение и обработка.
3.1.2. блок памет
Целта на блока памет е да съхранява програми и данни. Има два класа устройства за съхранение, а именно първични и вторични. Първичното хранилище е памет, чиято производителност се определя от скоростта на работа електронни схеми. Докато програмата работи, тя трябва да се съхранява в основната памет. Тази памет се състои от голям брой полупроводникови клетки, всяка от които може да съхранява един бит информация. Клетките рядко се четат поотделно - те обикновено се обработват в групи с фиксиран размер, наречени думи. Паметта е организирана по такъв начин, че съдържанието на една дума, съдържаща n бита, може да бъде записано или прочетено с една основна операция.
За да се улесни достъпът до думите в паметта, към всяка дума се свързва отделен адрес. Адресите са числа, които идентифицират конкретни местоположения на думи в паметта. За да прочетете дума от паметта или да я запишете в нея, трябва да посочите нейния адрес и да посочите контролна команда, която ще стартира съответната операция.
Броят на битовете във всяка дума често се нарича дължина на машинна дума. Обикновено една дума е с дължина между 16 и 64 бита. Един от факторите, характеризиращи класа на компютъра, е капацитетът на неговата памет. Малките машини обикновено могат да съхраняват само няколко десетки милиона думи, докато средните и големите машини обикновено могат да съхраняват стотици милиони и милиарди думи. Типичните единици за измерване на количеството данни, обработени от машина, са дума, няколко думи или част от дума. По правило при един достъп до паметта се чете или записва само една дума.
По време на изпълнение програмата трябва да е в паметта. Инструкциите и данните трябва да се записват и четат от паметта под контрола на процесора. Възможността за изключително бърз достъп до всяка дума от паметта е изключително важна. Паметта, която може да бъде достъпна по всяко време за кратко и фиксирано време, се нарича памет с произволен достъп (RAM). Времето, необходимо за достъп до една дума, се нарича време за достъп до паметта. Това време е винаги едно и също, независимо къде се намира желаната дума. Време за достъп до паметта в съвременния RAM устройстваварира от няколко наносекунди до 100. Компютърната памет обикновено е йерархична структура, състояща се от три или четири нива на полупроводникови RAM елементи с различни скорости и различни размери. Най-бързият тип RAM е кеш (или просто кеш). Той е директно свързан с процесора и често се намира на един и същ интегриран чип с него, поради което работата на процесора значително се ускорява. По-голямата памет, но по-малко бърза, се нарича основна памет. По-нататък в тази лекция процесът на достъп до информация в паметта е описан по-подробно, а по-късно ще разгледаме подробно принципите на нейното функциониране и проблемите, свързани с производителността.
Първичните устройства за съхранение са изключително важни компоненти за компютъра, но са доста скъпи. Поради това компютрите са оборудвани с допълнителни, по-евтини вторични устройства за съхранение, използвани за съхраняване на големи количества данни и голям брой програми. В момента има много такива устройства. Но най-разпространената магнитни дискове, магнитни ленти и оптични дискове (CD-ROM).
3.1.3. Аритметично логическо устройство
Повечето компютърни операции се извършват в аритметичното логическо устройство (ALU) на процесора. Нека разгледаме типичен пример. Да предположим, че трябва да съберем две числа в паметта. Тези числа се изпращат до процесора, където ALU извършва тяхното събиране. Получената сума може да бъде записана в паметта или оставена в процесора за незабавна употреба.
Всички други аритметични или логически операции, включително умножение, деление и сравнение на числа, започват с изпращане на тези числа към процесора, където ALU трябва да извърши съответната операция. Когато операндите се прехвърлят към процесора, те се съхраняват във високоскоростни елементи на паметта, наречени регистри. Всеки регистър може да съхранява една дума данни. Времето за достъп до регистрите на процесора е дори по-малко от времето за достъп до най-бързата кеш памет.
Управляващите и аритметично-логическите блокове работят многократно по-бързо от всички останали свързани устройства компютърна система. Това позволява на един процесор да управлява много външни устройства като клавиатури, дисплеи, магнитни и оптични дискове, сензори и механични контроли.
3.1.4. изходен блок
Функцията на изходния блок е противоположна на тази на входния блок: той насочва резултатите от обработката към така наречения външен свят. Типичен пример за изходно устройство е принтерът. Принтерите използват ударни механизми, мастилено-струйни глави или технологии за фотокопиране като лазерни принтери за печат. Има принтери, способни да отпечатват до 10 000 реда в минута. За механично устройство това е огромна скорост, но в сравнение със скоростта на процесора е пренебрежимо малка.
Някои устройства, и по-специално графичните дисплеи, изпълняват както функция на изход, така и функция на вход. Поради това те се наричат входно-изходни устройства.
3.1.5. Контролен блок
Памет, аритметика и логика, входни и изходни устройства съхраняват и обработват информация и извършват входни и изходни операции. Работата на такива устройства трябва да бъде някак координирана. Точно това прави контролният блок. Това, така да се каже, е нервният център на компютъра, който предава контролни сигнали към други устройства и следи тяхното състояние.
I/O операциите се контролират от програмни команди, които идентифицират съответните I/O устройства и данните, които се прехвърлят. Въпреки това, действителните синхронизиращи сигнали, които контролират трансфера, се генерират от контролни вериги. Времевите сигнали са сигнали, които определят кога трябва да се извърши дадено действие. В допълнение, посредством тактови сигнали, генерирани от контролния блок, данните се прехвърлят между процесора и паметта. Блокът за управление може да се разглежда като отделно устройство, взаимодействащо с други части на машината. Но на практика това се случва рядко. Повечето от контролните вериги са физически разпределени на различни места в компютъра. Сигналите, използвани за синхронизиране на събития и действия на всички устройства, се предават по множество контролни линии (проводници). Най-общо функционирането на компютъра може да се опише по следния начин:
Компютърът, използвайки входната единица, получава информация под формата на програми и данни и я записва в паметта.
Съхранената в паметта информация под контрола на програмата се изпраща към аритметичното логическо устройство за по-нататъшна обработка.
Данните, получени в резултат на обработката на информацията, се изпращат към изходните устройства.
Блокът за управление е отговорен за всички действия, извършвани вътре в машината.
Както беше обсъдено в раздел 3.1, действията на компютъра се контролират от инструкции. За изпълнение на конкретна задача в паметта се записва съответна програма, състояща се от набор от инструкции. Инструкциите се изпращат на свой ред от паметта към процесора, който ги изпълнява. Данните, използвани като операнди на инструкции, също се съхраняват в паметта. Ето пример за типична команда:
Тази инструкция добавя операнда, съхранен в паметта на адрес LOCA, с операнда, съхранен в регистър R0 на процесора, и поставя резултата в същия регистър. Оригиналното съдържание на паметта в LOCA не се променя и съдържанието на регистър R0 се презаписва. Тази команда се изпълнява в няколко стъпки. Първо се прехвърля от паметта към процесора. След това операндът на инструкцията се чете от паметта на адрес LOCA и се добавя към съдържанието на регистър R0, след което получената сума се записва в регистър R0.
Описаната команда Add съчетава две операции: достъп до паметта и ALU операция. В много съвременни компютри тези два типа операции се извършват с помощта на отделни команди. Това разделение се основава на съображения за ефективност, които ще обсъдим по-долу. Горната команда може да бъде изпълнена и като две команди:
1) Заредете R3,LOCA за архитектура на Intel (IA-32): mov bx,loca
Добавете R0,R3 добавете ax,bx
Първата от тези инструкции копира съдържанието на паметта на LOCA адреса в регистъра на процесора R1, а втората инструкция добавя съдържанието на регистрите R1 и R0 и поставя сумата в регистър R0. Имайте предвид, че в резултат на изпълнение на две инструкции, оригиналното съдържание на двата регистъра се унищожава и съдържанието на паметта на LOCA адреса се запазва.
Прехвърлянето на данни между паметта и процесора започва с изпращане на адреса на думата, която трябва да бъде достъпна, към запаметяващото устройство и подаване на съответните управляващи сигнали. След това данните се прехвърлят към или от паметта.
На фиг. Фигура 3.2 показва как са свързани паметта и процесорът. В допълнение, фигурата илюстрира няколко важни характеристики на процесора, за които все още не сме говорили. Не показва действителната електрическа схема на тези компоненти, тъй като засега обсъждаме само техните функционални характеристики. Свързването на компонентите е описано по-подробно в раздел 8 при разглеждане на дизайна на процесора.
В допълнение към ALU и управляващите схеми, процесорът съдържа много регистри, предназначени за различни цели. Регистърът на инструкциите (IR) съдържа кода на инструкцията, която се изпълнява в момента. Неговият резултат е достъпен за управляващи вериги, които генерират сигнали за управление на различните елементи, участващи в изпълнението на командата. Друг специализиран регистър, наречен програмен брояч (PC), се използва за контрол на напредъка на програмата. Той съдържа адреса на следващата инструкция, която трябва да бъде извлечена и изпълнена. Докато се изпълнява следващата инструкция, съдържанието на регистъра на компютъра се актуализира - в него се записва адресът на следващата инструкция. Твърди се, че компютърният регистър сочи към инструкцията, която трябва да бъде извлечена от паметта. В допълнение към IR и PC регистрите на фиг. 3.2 показва n регистъра с общо предназначение, от R0 до R„-i. За какво служат е обяснено в Глава 2.
И накрая, още два регистъра осигуряват взаимодействие с паметта. Това са адресният регистър (Memory Address Register, MAR) и регистърът на данните (Memory Data Register, MDR). Регистърът MAR съдържа адреса, на който се осъществява достъп до паметта, а регистърът MDR съдържа данните, които трябва да бъдат записани или прочетени от паметта на този адрес.
Помислете за типичен процес на изпълнение на програма от компютър. Програмата се намира в паметта, където обикновено попада през входното устройство. Изпълнението му започва със записване на адреса на първата инструкция в регистъра на компютъра. Съдържанието на този регистър се прехвърля в регистъра MAR, а контролният сигнал за четене се изпраща в паметта. Когато времето, необходимо за достъп до паметта, изтече, адресираната дума (в този случай първата инструкция на програмата) се чете от паметта и се зарежда в MDR регистъра. След това съдържанието на MDR регистъра се прехвърля в IR регистъра. Командата е готова за декодиране и изпълнение.
Ако дадена инструкция изисква ALU да извърши определена операция, тя трябва да получи операнди за нея. Операндът, намиращ се в паметта (той може да бъде и в регистър с общо предназначение), трябва първо да бъде извлечен от нея чрез прехвърляне на адреса му в регистъра MAR и инициализиране на цикъла за четене. След като бъде прехвърлен от паметта в MDR регистъра, операндът ще бъде изпратен до ALU. По същия начин останалите операнди, необходими за командата, ще бъдат прехвърлени там, след което ALU ще може да извърши необходимата операция. Ако резултатът трябва да бъде съхранен в паметта, той ще бъде записан в MDR регистъра. След това адресът, на който трябва да се запише в паметта, ще бъде поставен в MAR регистъра, след което ще бъде иницииран цикълът Write. В даден момент по време на изпълнението на текущата инструкция, компютърният регистър се увеличава, за да посочи следващата инструкция, която трябва да бъде изпълнена. С други думи, веднага след като изпълнението на текущата инструкция приключи, ще бъде възможно да започне извличането на следващата.
Ориз. 3.2.Връзки между процесор и памет
Компютърът не само изпраща данни между паметта и процесора, но и ги получава от входните устройства, а също така ги изпраща към изходните устройства. Следователно сред машинните инструкции има и инструкции за извършване на I / O операции.
Ако има нужда от спешно обслужване на устройство (например, когато устройство за наблюдение в автоматизиран промишлен процес открие опасна ситуация), нормалното изпълнение на програмата може да бъде прекъснато. За да реагира незабавно на тази ситуация, компютърът трябва да прекъсне изпълнението на текущата програма. За тази цел устройството генерира сигнал за прекъсване. Прекъсването е искане от I/O устройство да му даде процесорно време. За да обслужва това устройство, процесорът изпълнява съответния манипулатор на прекъсвания. И тъй като неговото изпълнение може да промени вътрешното състояние на процесора, преди да обслужите прекъсването, трябва да запазите състоянието му в паметта. Обикновено тази операция записва съдържанието на регистъра на компютъра, регистрите с общо предназначение и част от контролната информация. Когато манипулаторът на прекъсванията приключи, състоянието на процесора се възстановява и прекъснатата програма продължава. Процесорът с всичките му елементи (фиг. 3.2) обикновено се изпълнява като единична микросхема, на която е разположено поне едно устройство с кеш памет. Такива чипове се наричат VLSI (VLSI е съкращение от Very Large Scale Integration, което се превежда като интеграция в много голям мащаб).