ساختار عملکردی یک کامپیوتر سازماندهی عملکردی-ساختاری یک کامپیوتر شخصی. کامپیوتر به عنوان یک سیستم پردازش داده عمل می کند
شرح ارائه در اسلایدهای جداگانه:
1 اسلاید
توضیحات اسلاید:
2 اسلاید
توضیحات اسلاید:
حافظه داخلی یک دستگاه الکترونیکی است که اطلاعات را در حالی که انرژی الکتریکی دارد ذخیره می کند. هنگامی که کامپیوتر از شبکه جدا می شود، اطلاعات از حافظه دسترسی تصادفیناپدید می شود. برنامه در حین اجرا در آن ذخیره می شود حافظه داخلیکامپیوتر. (اصل فون نویمان - اصل یک برنامه ذخیره شده). حافظه خارجی رسانه های مغناطیسی مختلف (نوار، دیسک) است. دیسک های نوری. ذخیره اطلاعات روی آنها نیازی به منبع تغذیه ثابت ندارد. شکل، نمودار یک دستگاه کامپیوتر را با در نظر گرفتن دو نوع حافظه نشان می دهد. فلش ها جهت ها را نشان می دهند تبادل اطلاعات
3 اسلاید
توضیحات اسلاید:
1. دستگاه های گنجانده شده است بلوک سیستم 1.1. مادربرد مادربرد با انتقال سیگنال از یک دستگاه به دستگاه دیگر ارتباط بین تمام دستگاه های رایانه شخصی را فراهم می کند. روی یک سطح مادربردتعداد زیادی کانکتور برای نصب دستگاه های دیگر طراحی شده است: سوکت - سوکت برای پردازنده. اسلات - اسلات برای RAM و کارت های توسعه؛ کنترلرهای پورت ورودی/خروجی مادربرد - تخته مدار چاپیکه بیشتر اجزای یک سیستم کامپیوتری روی آن نصب شده است. این نام از مادربرد انگلیسی گرفته شده است، گاهی اوقات از علامت اختصاری MB یا کلمه mainboard استفاده می شود - برد اصلی.
4 اسلاید
توضیحات اسلاید:
A - کانکتور (سوکت) پردازنده مرکزی B - کانکتورهای دستگاه حافظه با دسترسی تصادفی C - کانکتورهای اتصال کارت گرافیک، مودم داخلی و غیره D - کانکتورهای اتصال دستگاه های ورودی / خروجی خارجی 1. دستگاه های موجود در واحد سیستم 1.1. مادربرد ارتباطی بین کانکتورهای نشان داده شده در شکل (دستگاه های سوئیچینگ) و هدف آنها ایجاد کنید:
5 اسلاید
توضیحات اسلاید:
این پردازنده دارای یک هیت سینک بزرگ است که توسط یک فن (کولر) خنک می شود. از نظر ساختاری، پردازنده از سلول هایی تشکیل شده است که داده ها نه تنها می توانند ذخیره شوند، بلکه می توانند تغییر کنند. سلول های داخلی پردازنده را ثبات می نامند. دستگاه های موجود در واحد سیستم 1.2. واحد پردازش مرکزی واحد پردازش مرکزی یا واحد پردازش مرکزی (CPU) (به انگلیسی central processing unit - CPU) ریز مدار اصلی کامپیوتر است که تمامی محاسبات در آن انجام می شود.
6 اسلاید
توضیحات اسلاید:
اتوبوس آدرس در پردازنده های اینتلگذرگاه آدرس پنتیوم (یعنی امروزه بیشتر در رایانه های شخصی رایج است) 32 بیتی است، یعنی از 32 خط موازی تشکیل شده است. گذرگاه داده. این گذرگاه برای کپی داده ها از RAM به ثبات های پردازنده و بالعکس استفاده می شود. در رایانه های مونتاژ شده بر اساس پردازنده های Intel Pentium ، گذرگاه داده 64 بیتی است ، یعنی از 64 خط تشکیل شده است که در طول آن 8 بایت به طور همزمان برای پردازش ارسال می شود. اتوبوس فرماندهی برای اینکه پردازنده بتواند داده ها را پردازش کند، به دستورالعمل هایی نیاز دارد. باید بداند که با بایت هایی که در ثبات هایش ذخیره می شوند چه کند. این دستورات همچنین از رم به پردازنده می آیند، اما نه از مناطقی که آرایه های داده ذخیره می شوند، بلکه از جایی که برنامه ها ذخیره می شوند. دستورات نیز به صورت بایت نمایش داده می شوند. ساده ترین دستورات در یک بایت قرار می گیرند، اما دستوراتی نیز وجود دارند که به دو، سه یا بیشتر بایت نیاز دارند. دستگاه های موجود در واحد سیستم 1.2. پردازنده مرکزی با بقیه دستگاه های کامپیوتری، و در درجه اول با RAM، پردازنده توسط چندین گروه از هادی ها به نام اتوبوس متصل می شود. سه گذرگاه اصلی وجود دارد: گذرگاه داده، گذرگاه آدرس و گذرگاه فرمان.
7 اسلاید
توضیحات اسلاید:
ولتاژ عملکرد پردازنده توسط مادربرد تامین می شود، بنابراین برندهای مختلف پردازنده با مادربردهای مختلف مطابقت دارند (باید با هم انتخاب شوند). مدل های اولیه پردازنده داشتند ولتاژ بهره برداری 5 ولت و در حال حاضر کمتر از 3 ولت است. ظرفیت پردازنده نشان می دهد که در هر زمان (در هر سیکل ساعت) می تواند چند بیت داده را دریافت و در رجیسترهای خود پردازش کند. اولین پردازنده ها 4 بیتی بودند. پردازنده بر اساس اصل ساعت مشابه در ساعت های معمولی است. اجرای هر فرمان به تعداد مشخصی چرخه نیاز دارد. در رایانه شخصی، پالس های ساعت توسط یکی از ریزمدارهای موجود در کیت ریزپردازنده (چیپ ست) واقع در مادربرد تنظیم می شود. هرچه فرکانس کلاک های دریافتی توسط پردازنده بیشتر باشد، دستورات بیشتری در واحد زمان اجرا شود، عملکرد پردازنده بالاتر خواهد بود. تبادل داده ها در پردازنده چندین برابر سریعتر از تبادل با دستگاه های دیگر مانند RAM است. به منظور کاهش تعداد دسترسی به RAM، یک ناحیه بافر در داخل پردازنده ایجاد می شود - به اصطلاح حافظه نهان. این مانند "حافظه فوق سریع" است. هنگامی که پردازنده به داده نیاز دارد ابتدا به حافظه کش دسترسی پیدا می کند و تنها در صورت نبود اطلاعات لازم به RAM دسترسی پیدا می کند.دستگاه هایی که بخشی از واحد سیستم هستند 1.2. پردازنده مرکزی پارامترهای اصلی پردازنده ها عبارتند از: ولتاژ کاری، عمق بیت، فرکانس ساعت کاری، ضرب کننده فرکانس ساعت داخلی و اندازه کش.
8 اسلاید
توضیحات اسلاید:
دو نوع رم وجود دارد - حافظه با دسترسی تصادفی (RAM) و حافظه فقط خواندنی (ROM). حافظه دسترسی تصادفی (RAM) برای ذخیره برنامه‌ها، داده‌ها و نتایج میانی محاسبات در حین کار کامپیوتر استفاده می‌شود. داده ها را می توان از حافظه به ترتیب دلخواه انتخاب کرد، و نه به طور دقیق متوالی، به عنوان مثال، هنگام کار با یک نوار مغناطیسی. دستگاه های موجود در واحد سیستم 1.3. حافظه با دسترسی تصادفی حافظه با دسترسی تصادفی (RAM - حافظه دسترسی تصادفی). حافظه فقط خواندنی (ROM) برای ذخیره دائمی برخی برنامه ها مانند برنامه ها استفاده می شود بوت استرپکامپیوتر - BIOS (سیستم ورودی-خروجی پایه - سیستم پایه I/O). محتویات این حافظه را نمی توان در حین کارکرد کامپیوتر تغییر داد. RAM فرار است، یعنی داده ها فقط تا زمانی که رایانه خاموش شود در آن ذخیره می شود.
9 اسلاید
توضیحات اسلاید:
بر خلاف یک دیسک "انعطاف پذیر" (فلاپی دیسک)، اطلاعات در هارد دیسک بر روی صفحات سخت (آلومینیوم یا شیشه) پوشیده شده با لایه ای از مواد فرومغناطیسی ثبت می شود. سرهای مطالعه در حالت کار به دلیل لایه هوای تشکیل شده در طول چرخش سریع دیسک ها، سطح صفحات را لمس نمی کنند. دستگاه های موجود در واحد سیستم 1.4. HDDهارد دیسک، هارد دیسک یا هارد دیسک (Eng. Hard Disk Drive, HDD) - دستگاه ذخیره سازی کامپیوتر غیر فرار و قابل بازنویسی
10 اسلاید
توضیحات اسلاید:
نام "winchester" به لطف شرکت IBM به هارد دیسک داده شد که در سال 1973 هارد دیسک مدل 3340 را منتشر کرد که برای اولین بار دیسک ها و هدهای خواندن را در یک کیس همه کاره ترکیب کرد. در طول توسعه آن، مهندسان از نام داخلی کوتاه "30-30" استفاده کردند که به معنای دو ماژول (در حداکثر طرح بندی) هر کدام 30 مگابایت بود. کنت هاتون، رهبر پروژه، همزمان با نامگذاری تفنگ شکاری محبوب "Winchester 30-30"، پیشنهاد کرد که این دیسک را "Winchester" بنامیم. در اروپا و آمریکا، نام "وینچستر" در دهه 1990 از بین رفت. در زبان عامیانه رایانه ای روسی، نام "هارد دیسک" حفظ شد و به کلمه "پیچ" خلاصه شد. دستگاه های موجود در واحد سیستم 1.4. HDD
11 اسلاید
توضیحات اسلاید:
رابط روشی است که برای انتقال داده ها استفاده می شود. درایوهای مدرن می توانند از رابط های ATA (IDE، EIDE)، Serial ATA، SCSI، SAS، FireWire، USB و Fiber Channel استفاده کنند. ظرفیت - مقدار داده ای که می تواند روی درایو ذخیره شود. ظرفیت دستگاه های مدرن می تواند تا 1.5 ترابایت برسد، دیسک های سخت با ظرفیت 80، 120، 200، 320 گیگابایت امروزه در رایانه های شخصی رایج است. برخلاف سیستم پیشوندهای پذیرفته شده در علوم کامپیوتر، که نشان دهنده مضربی از مقدار 1024 (کیلو = 1024) است، تولید کنندگان هنگام تعیین ظرفیت دیسکهای سختمضرب 1000 استفاده می شود. بنابراین، برای مثال، ظرفیت "واقعی" یک هارد دیسک با برچسب "200 گیگابایت" 186.2 گیگابایت است. اندازه فیزیکی - تقریباً تمام درایوهای مدرن برای رایانه های شخصی و سرورها 3.5 یا 2.5 اینچ اندازه دارند. دومی بیشتر در لپ تاپ ها استفاده می شود. سرعت اسپیندل - تعداد دور دوک در دقیقه. زمان دسترسی و سرعت انتقال داده تا حد زیادی به این پارامتر بستگی دارد. در حال حاضر هارد دیسک ها با سرعت چرخش استاندارد زیر تولید می شوند: 4200، 5400 و 7200 (لپ تاپ)، 7200 و 10000 (کامپیوترهای شخصی)، 10000 و 15000 دور در دقیقه. (سرورها و ایستگاه های کاری با کارایی بالا). دستگاه های موجود در واحد سیستم 1.4. ویژگی های هارد دیسک
12 اسلاید
توضیحات اسلاید:
به طور معمول، یک کارت گرافیک یک کارت توسعه است و در یک اسلات مخصوص (ISA، VLB، PCI، AGP، PCI-Express) برای کارت های ویدئویی روی مادربرد قرار می گیرد، اما می تواند داخلی نیز باشد. یک کارت گرافیک مدرن از بخش های اصلی زیر تشکیل شده است: واحد پردازش گرافیک (GPU) - با محاسبات تصویر خروجی سر و کار دارد و از این مسئولیت رهایی می یابد. CPU، محاسباتی را برای پردازش فرمان انجام می دهد گرافیک سه بعدی. کارت گرافیک (همچنین به عنوان کارت گرافیک، کارت گرافیک، آداپتور ویدئویی نیز شناخته می‌شود) (به انگلیسی videocard) دستگاهی است که تصویر ذخیره شده در حافظه رایانه را به سیگنال ویدیویی برای مانیتور تبدیل می‌کند. دستگاه های موجود در واحد سیستم 1.5. کارت گرافیک کنترل کننده ویدئو - مسئول تشکیل تصویر در حافظه ویدئویی است. حافظه ویدیویی - به عنوان یک بافر عمل می کند که در آن یک تصویر در فرمت دیجیتال ذخیره می شود و برای نمایش روی صفحه نمایش در نظر گرفته شده است. مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC) - برای تبدیل تصویر تولید شده توسط کنترل کننده ویدئو به سطوح شدت رنگ ارائه شده به یک مانیتور آنالوگ استفاده می شود.
13 اسلاید
توضیحات اسلاید:
روی مادربرد، کارت صدا در اسلات ISA (فرمت قدیمی) یا PCI (فرمت مدرن) نصب می شود. هنگامی که کارت صدا نصب می شود، درگاه هایی برای اتصال بلندگوها، هدفون ها و میکروفون دستگاه های موجود در واحد سیستم 1.6 در پنل پشتی کیس کامپیوتر ظاهر می شود. کارت صدا یک کارت صدا (که به آن کارت صدا، آداپتور صوتی نیز گفته می شود) برای ضبط و پخش انواع مختلف استفاده می شود سیگنال های صوتی: گفتار، موسیقی، جلوه های صوتی. 1.7. کارت شبکه کارت شبکه (همچنین به نام کارت شبکه، آداپتور شبکه، کارت اترنت، NIC (کارت رابط شبکه انگلیسی)) - یک برد مدار چاپی که به رایانه ها اجازه می دهد تا از طریق یکدیگر با یکدیگر تعامل داشته باشند. شبکه محلی. معمولاً کارت شبکه به عنوان یک دستگاه جداگانه ارائه می شود و در شکاف های توسعه مادربرد قرار می گیرد (بیشتر PCI، مدل های اولیه از گذرگاه ISA استفاده می کردند).
14 اسلاید
توضیحات اسلاید:
معمولاً فلاپی دیسک یک صفحه پلاستیکی انعطاف پذیر است که با یک لایه فرومغناطیسی پوشانده شده است، از این رو نام انگلیسی "فلاپی دیسک" ("فلاپی دیسک") است. این صفحه در یک پوسته محافظ قرار می گیرد که لایه مغناطیسی را از آسیب فیزیکی محافظت می کند. پوسته انعطاف پذیر یا بادوام است. فلاپی دیسک ها با استفاده از یک دستگاه خاص - یک درایو دیسک (فلاپی درایو) نوشته و خوانده می شوند. فلاپی دیسک‌ها معمولاً دارای یک ویژگی حفاظت از نوشتن هستند که به شما امکان می‌دهد به داده‌ها دسترسی فقط خواندنی بدهید. دستگاه های موجود در واحد سیستم 1.8. درایو فلاپی دیسک 3.5 اینچی فلاپی دیسک یک رسانه ذخیره مغناطیسی قابل حمل است که برای ضبط مکرر و ذخیره سازی داده های نسبتاً کوچک استفاده می شود. یک فلاپی دیسک 3½ اینچی (90 میلی متر) به بازار معرفی شد. نسخه بعدی آن دارای ظرفیت 1440 کیلوبایت است. یا 1.40 مگابایت این نوع فلاپی دیسک بود که استاندارد شد و هنوز هم استفاده می شود.
15 اسلاید
توضیحات اسلاید:
دستگاه های موجود در واحد سیستم 1.9. درایوهای دیسک فشرده اطلاعات دیجیتال بر روی یک CD با فرورفتگی های متناوب (نقاط غیر بازتابنده) و جزایر بازتابنده نور نشان داده می شود. یک سی دی تنها یک آهنگ فیزیکی به شکل یک مارپیچ پیوسته دارد که از قطر بیرونی دیسک به قطر داخلی آن می‌رود. خواندن اطلاعات از یک سی دی با کمک یک پرتو لیزر انجام می شود، که با افتادن بر روی یک جزیره بازتابنده، توسط یک آشکارساز نوری منحرف می شود، که این را به عنوان یک واحد دوتایی تفسیر می کند. پرتو لیزری که وارد حفره می شود پراکنده و جذب می شود: ردیاب نوری یک صفر دودویی را ثابت می کند. سرعت انتقال اطلاعات برای درایو با سرعت چرخش دیسک تعیین می شود. معمولاً در مقایسه با استاندارد Audio CD مشخص می شود که سرعت خواندن اطلاعات برای آن حدود 150 کیلوبایت بر ثانیه است. آن ها CDx2 به این معنی است که سرعت تبادل داده با چنین دیسکی دو برابر 150 کیلوبایت در ثانیه است. حداکثر سرعتچرخش یک سی دی از سرعت خواندن یک سی دی صوتی 52 برابر بیشتر است. 52x150 KB/s=7800 KB/s. در حال حاضر درایوهایی با قابلیت یک بار ضبط (CD-R) و بازنویسی (CD-RW) اطلاعات در اختیار کاربر انبوه قرار گرفته است.
16 اسلاید
توضیحات اسلاید:
دستگاه های موجود در واحد سیستم 1.10. درایوهای DVD دی وی دی ها(Digital Versatile Disc، دیجیتال چند منظوره یا یونیورسال، دیسک) دیسک های نوری با ظرفیت بالایی هستند که برای ذخیره فیلم های تمام قد، موسیقی با کیفیت بالا و برنامه های کامپیوتری استفاده می شوند. انواع مختلفی از DVD وجود دارد که از نظر ظرفیت متفاوت هستند: یک طرفه و دو طرفه، یک لایه و دو لایه. دی وی دی های تک لایه یک طرفه دارای ظرفیت 4.7 گیگابایت اطلاعات، دو لایه - 8.5 گیگابایت هستند. تک لایه دو طرفه می تواند 9.4 گیگابایت، دو لایه - 17 گیگابایت. پرتو لیزر در حالت عادی دستگاه پخش سی دیدارای طول موج 780 نانومتر، و در دستگاه های DVD - از 635 نانومتر تا 650 نانومتر، به همین دلیل چگالی ضبط دی وی دیبطور قابل ملاحظه ای بالاتر علاوه بر خواندن اطلاعات از DVD با سرعت حدود 1.2 مگابایت بر ثانیه، درایوهای DVDقادر به خواندن CD-ROM های معمولی با سرعتی تقریباً معادل درایوهای CD-ROM با سرعت 8-10 است.
18 اسلاید
توضیحات اسلاید:
از آنجایی که کامپیوترهای شخصی در حال حاضر گسترده شده اند، سازماندهی عملکردی و ساختاری آنها را به تفصیل بررسی خواهیم کرد.
بلوک های اصلی رایانه شخصی و هدف آنها
طرح ساختاری کامپیوتر شخصیدر شکل نشان داده شده است. 3.13.
برنج. 3.13. نمودار ساختاری رایانه شخصی
ریزپردازنده
ریزپردازنده ( MP) یک دستگاه کامپیوتر مرکزی است که برای کنترل عملکرد تمام بلوک های ماشین و انجام عملیات حسابی و منطقی روی اطلاعات طراحی شده است.
ریزپردازنده از چندین جزء تشکیل شده است.
دستگاه کنترل (CU): با توجه به ویژگی‌های عملیات در حال انجام و نتایج عملیات قبلی، سیگنال‌های کنترل خاصی (پالس‌های کنترلی) را در زمان مناسب به تمام بلوک‌های دستگاه تولید و تحویل می‌دهد. آدرس سلول های حافظه مورد استفاده در عملیات انجام شده را تشکیل می دهد و این آدرس ها را به بلوک های مربوطه کامپیوتر منتقل می کند. دستگاه کنترل دنباله پالس مرجع را از ژنراتور پالس ساعت دریافت می کند.
واحد منطق حسابی (ALU): طراحی شده برای انجام کلیه عملیات حسابی و منطقی بر روی اطلاعات عددی و نمادین (در برخی از مدل های رایانه شخصی، یک پردازنده کمکی ریاضی اضافی به ALU متصل می شود تا سرعت اجرای عملیات را افزایش دهد. ).
حافظه ریزپردازنده (MPM): طراحی شده برای ذخیره سازی کوتاه مدت، ضبط و صدور اطلاعات به طور مستقیم در چرخه های بعدی ماشین استفاده می شود. MPP برای اطمینان از سرعت بالای ماشین بر روی رجیسترها ساخته شده است، زیرا حافظه اصلی (OP) همیشه سرعت نوشتن، جستجو و خواندن اطلاعات لازم برای عملکرد کارآمد یک ریزپردازنده پرسرعت را فراهم نمی کند. ثبات ها سلول های حافظه پرسرعت با طول های مختلف هستند (برخلاف سلول های OP که طول استاندارد 1 بایت و سرعت کمتری دارند).
سیستم رابط ریزپردازنده برای رابط و ارتباط با سایر دستگاه های رایانه شخصی طراحی شده است. شامل یک رابط MP داخلی، رجیسترهای ذخیره سازی بافر و مدارهای کنترلی برای پورت های ورودی-خروجی (I/O) و گذرگاه سیستم است.
بنابراین، رابط (رابط) - مجموعه ای از ابزارهای رابط و ارتباط دستگاه های رایانه ای، که از تعامل مؤثر آنها اطمینان می دهد.
پورت I / O - عناصر رابط سیستم PC که از طریق آن MP اطلاعات را با دستگاه های دیگر مبادله می کند.
ژنراتور ساعت دنباله ای از پالس های الکتریکی تولید می کند که فرکانس آن فرکانس ساعت ریزپردازنده را تعیین می کند. فاصله زمانی بین پالس های مجاور زمان یک سیکل یا به سادگی چرخه ماشین را تعیین می کند. فرکانس مولد پالس ساعت یکی از ویژگی های اصلی یک کامپیوتر شخصی است و تا حد زیادی سرعت عملکرد آن را تعیین می کند، زیرا هر عملیات در یک کامپیوتر در تعداد چرخه های مشخصی انجام می شود.
اتوبوس سیستم
گذرگاه سیستم، سیستم رابط اصلی یک کامپیوتر است که رابط و ارتباط همه دستگاه های آن را با یکدیگر فراهم می کند. گذرگاه سیستم شامل:
گذرگاه داده کد (CSHD)، حاوی سیم ها و مدارهای رابط برای انتقال موازی تمام ارقام کد عددی (کلمه ماشین) عملوند.
گذرگاه کد آدرس (KSA)، حاوی سیم‌ها و مدارهای رابط برای انتقال موازی تمام ارقام کد آدرس سلول حافظه اصلی یا پورت ورودی-خروجی یک دستگاه خارجی.
گذرگاه کد دستورالعمل (KSI)، حاوی سیم‌ها و مدارهای رابط برای انتقال دستورالعمل‌ها (سیگنال‌های کنترل، پالس‌ها) به تمام بلوک‌های ماشین.
گذرگاه برق حاوی سیم و مدارهای رابط برای اتصال واحدهای رایانه شخصی به سیستم منبع تغذیه.
گذرگاه سیستم سه جهت را برای انتقال اطلاعات فراهم می کند:
بین ریزپردازنده و حافظه اصلی؛
بین ریزپردازنده و پورت های ورودی-خروجی دستگاه های خارجی؛
بین درگاه های حافظه اصلی و ورودی/خروجی دستگاه های خارجی (در حالت دسترسی مستقیم به حافظه).
همه بلوک ها، یا بهتر است بگوییم درگاه های ورودی-خروجی آنها، به همان روش از طریق اتصالات یکپارچه (مفاصل) مربوطه به اتوبوس متصل می شوند: مستقیم یا از طریق کنترلرها (آداپتورها). گذرگاه سیستم توسط ریزپردازنده مستقیماً یا اغلب از طریق یک تراشه کنترل‌کننده اضافی کنترل می‌شود. لاستیک ماشین، که سیگنال های کنترل اصلی را تشکیل می دهد. تبادل اطلاعات بین دستگاه های خارجی و گذرگاه سیستم با استفاده از کدهای اسکی انجام می شود.
حافظه اصلی
حافظه اصلی (OP) برای ذخیره و تبادل سریع اطلاعات با سایر بلوک های دستگاه طراحی شده است. OP شامل دو نوع دستگاه ذخیره سازی است: حافظه فقط خواندنی (ROM) و حافظه با دسترسی تصادفی (RAM).
رام (ROM - Read Only Memory) برای ذخیره نرم افزارهای غیرقابل تغییر (دائمی) و اطلاعات پس زمینه; به شما امکان می دهد فقط اطلاعات ذخیره شده در آن را به سرعت بخوانید (تغییر اطلاعات در رام غیرممکن است).
RAM (RAM - حافظه دسترسی تصادفی) برای ضبط عملیاتی، ذخیره سازی و خواندن اطلاعات (برنامه ها و داده ها) طراحی شده است که مستقیماً در فرآیند محاسبه اطلاعات انجام شده توسط رایانه شخصی در دوره زمانی فعلی دخیل است.
از مزایای اصلی رم می توان به کارایی بالای آن و امکان دسترسی به هر سلول حافظه جداگانه (دسترسی مستقیم آدرس به سلول) اشاره کرد. به عنوان نقطه ضعف رم باید به عدم امکان ذخیره اطلاعات در آن پس از قطع برق دستگاه (فرار) اشاره کرد.
مادربرد PC علاوه بر حافظه اصلی دارای حافظه غیر فرار نیز می باشد. CMOSرم (رم نیمه هادی اکسید فلزی مکمل) که دائماً از باتری آن تغذیه می شود. اطلاعات مربوط به پیکربندی سخت افزار رایانه شخصی (در مورد تمام سخت افزارهای موجود در رایانه) را ذخیره می کند که هر بار که سیستم روشن می شود بررسی می شود.
حافظه خارجی
حافظه خارجی به دستگاه های PC خارجی اشاره دارد و برای ذخیره سازی طولانی مدت اطلاعاتی که ممکن است برای حل مشکلات مورد نیاز باشد استفاده می شود. به طور خاص، تمام نرم افزارهای کامپیوتری در حافظه خارجی ذخیره می شوند. حافظه خارجی با انواع مختلفی از دستگاه های ذخیره سازی نشان داده می شود، اما رایج ترین آنها که تقریباً در هر رایانه ای موجود است، هارد دیسک هایی هستند که در نمودار بلوکی نشان داده شده اند. (HDD) و دیسک های مغناطیسی فلاپی (FPHD).
هدف این درایوها: ذخیره سازی حجم زیادی از اطلاعات، ضبط و صدور اطلاعات در صورت درخواست به حافظه با دسترسی تصادفی. HDMD و NGMD از نظر حجم اطلاعات ذخیره شده و زمان جستجو، ضبط و خواندن آن تفاوت های سازنده ای دارند. به عنوان دستگاه های حافظه خارجی، درایوهای دیسک نوری (CD ROM - Compact Disk Read Only Memory) نیز اغلب مورد استفاده قرار می گیرند، و کمتر اوقات از دستگاه های ذخیره سازی روی نوار مغناطیسی کاست (NKML، پخش کننده ها) استفاده می شود.
منبع قدرت
منبع تغذیه - واحدی حاوی سیستم های منبع تغذیه مستقل و اصلی برای رایانه شخصی.
تایمر
تایمر - در ماشین ساعت دیجیتالدر زمان واقعی، ارائه، در صورت لزوم، حذف خودکار لحظه فعلی زمان (سال، ماه، ساعت، دقیقه، ثانیه و کسری از ثانیه). تایمر به یک منبع برق مستقل - یک باتری متصل می شود، و هنگامی که دستگاه از برق جدا می شود، به کار خود ادامه می دهد.
دستگاه های خارجی
دستگاه های خارجی (ED) یک رایانه شخصی مهم ترین جزء هر مجموعه محاسباتی هستند، کافی است بگوییم که از نظر هزینه، ED ها 80 تا 85 درصد از هزینه کل رایانه شخصی را تشکیل می دهند.
VU PC تعامل دستگاه با محیط را فراهم می کند: کاربران، اشیاء کنترل و سایر رایانه ها.
دستگاه های خارجی عبارتند از:
دستگاه های ذخیره سازی خارجی (VSD) یا حافظه خارجی رایانه شخصی؛
ابزارهای کاربر گفتگو؛
دستگاه های ورودی؛
دستگاه های خروجی اطلاعات؛
وسایل ارتباطی و مخابراتی.
ابزار گفتگوی کاربر عبارتند از:
مانیتور تصویری (ترمینال تصویری، نمایشگر ) - دستگاهی برای نمایش اطلاعات وارد شده و خروجی از رایانه شخصی.
دستگاه های ورودی-خروجی گفتار به سرعت در حال توسعه ابزارهای چند رسانه ای هستند. اینها میکروفون های مختلفی هستند. سیستم های صوتی، "موش های صوتی" با نرم افزار پیچیده ای که می تواند حروف و کلمات گفتاری انسان را تشخیص، شناسایی و رمزگذاری کند. سینت سایزرهای صدا که کدهای دیجیتال را به حروف و کلمات تبدیل می کنند که از طریق بلندگوها (بلندگوها) یا بلندگوهای متصل به رایانه پخش می شوند.
دستگاه های ورودی عبارتند از:
صفحه کلید - دستگاهی برای ورودی دستی اطلاعات عددی، متنی و کنترلی در رایانه شخصی؛
تبلت های گرافیکی(دیجیتایزر) - دستگاه هایی برای ورودی دستی اطلاعات گرافیکی، تصاویر با حرکت دادن یک اشاره گر ویژه (قلم) در سراسر تبلت. هنگام حرکت قلم، مختصات محل آن به طور خودکار خوانده می شود و این مختصات در رایانه شخصی وارد می شود.
اسکنرها (ماشین های خواندن) - تجهیزاتی برای خواندن خودکار از رسانه های کاغذی و فیلم و وارد کردن متون تایپ شده، نمودارها، نقاشی ها، نقاشی ها در رایانه شخصی.
دستگاه های هدف گیری (دستکاری کننده های گرافیکی) طراحی شده برای وارد کردن اطلاعات گرافیکی بر روی صفحه نمایش با کنترل حرکت مکان نما بر روی صفحه نمایش و به دنبال آن کدگذاری مختصات مکان نما و وارد کردن آنها به رایانه (جوی استیک - اهرم، ماوس، گوی توپ - توپ). در یک قاب، قلم نور، و غیره).
صفحه نمایش های لمسی- برای ورودی عناصر منفردتصاویر، برنامه ها یا دستورات از صفحه نمایش رایانه شخصی.
دستگاه های خروجی اطلاعات عبارتند از:
چاپگرها - چاپگرهایی برای ضبط اطلاعات روی کاغذ یا رسانه فیلم؛
پلاترها (پلاترها) - دستگاه هایی برای خروجی اطلاعات گرافیکی (نمودارها، نقشه ها، نقشه ها) از رایانه شخصی به کاغذ.
دستگاه های ارتباطی و مخابراتی برای برقراری ارتباط با دستگاه ها و سایر تجهیزات اتوماسیون (تطبیق دهنده های رابط، آداپتورها، مبدل های دیجیتال به آنالوگ و آنالوگ به دیجیتال و غیره) و برای اتصال رایانه شخصی به کانال های ارتباطی، به رایانه های دیگر و رایانه استفاده می شود. شبکه ها (بردها و کارت های رابط شبکه - آداپتورهای شبکه، "اتصالات"، مالتی پلکسر برای انتقال داده، مودم - مدولاتور / دمدولاتور).
به طور خاص، در شکل نشان داده شده است. آداپتور شبکه 4.1 به رابط خارجی رایانه شخصی اشاره دارد و برای اتصال آن به یک کانال ارتباطی به منظور تبادل اطلاعات با رایانه های دیگر هنگام کار به عنوان بخشی از رایانه استفاده می شود. شبکه کامپیوتری. مانند آداپتور شبکهپرکاربردترین مودم
بسیاری از دستگاه های ذکر شده در بالا به گروه ابزارهای چندرسانه ای اختصاص داده شده به طور معمول تعلق دارند.
چند رسانه ای (چند رسانه ای، چند محیطی) مجموعه ای از سخت افزار و ابزارهای نرم افزاریاین امکان را به فرد می دهد تا با استفاده از انواع رسانه های طبیعی با کامپیوتر ارتباط برقرار کند: صدا، ویدئو، گرافیک، متون، انیمیشن و غیره. میکروفون ها و دوربین های فیلمبرداری، سیستم های پخش صوتی و تصویری با تقویت کننده، بلندگوها, صفحه نمایش های ویدئویی بزرگ; آداپتورهای صوتی و تصویری، کارت های فیلمبرداری که تصویری را از یک VCR یا دوربین فیلمبرداری می گیرند و آن را به رایانه شخصی وارد می کنند. اسکنرهایی که قبلاً به طور گسترده استفاده می شد که به شما امکان می دهد متون چاپی و نقاشی ها را به طور خودکار وارد رایانه کنید. در نهایت، دستگاه های ذخیره سازی انبوه خارجی بر روی دیسک های نوری، که اغلب برای ضبط اطلاعات صوتی و تصویری استفاده می شود.
دستگاه یک کامپیوتر را با استفاده از مثال رایج ترین سیستم کامپیوتری - یک کامپیوتر شخصی در نظر بگیرید. رایانه شخصی (PC) نسبتاً ارزان نامیده می شود میکرو کامپیوتر جهانیبرای یک کاربر کامپیوترهای شخصی معمولاً بر اساس اصل معماری باز طراحی می شوند.
اصل معماری باز به شرح زیر است:
· فقط شرح اصل عملکرد یک کامپیوتر و پیکربندی آن (مجموعه خاصی از سخت افزار و اتصالات بین آنها) تنظیم و استاندارد شده است. بنابراین، کامپیوتر را می توان از قطعات و قطعات مجزا که توسط سازندگان مستقل طراحی و تولید شده است، مونتاژ کرد.
· رایانه را می توان به راحتی با اسلات های توسعه داخلی گسترش داد و ارتقا داد، که کاربر می تواند دستگاه های مختلفی را که استانداردهای مشخص شده را برآورده می کنند، در آن قرار دهد و از این طریق دستگاه خود را مطابق با ترجیحات شخصی خود پیکربندی کند.
یک بلوک دیاگرام ساده شده که اجزای عملکردی اصلی یک سیستم کامپیوتری را در رابطه آنها نشان می دهد (شکل 8.6).
شکل 9.6 - ساختار کلی یک کامپیوتر شخصی با تجهیزات جانبی متصل
شکل 9.7 - بلوک دیاگرام یک کامپیوتر شخصی
بیایید هدف عملکردی اجزای اصلی را تجزیه و تحلیل کنیم.
ریزپردازنده (نماینده مجلس). این واحد مرکزی رایانه شخصی است که برای کنترل عملکرد تمام واحدهای دستگاه و انجام عملیات حسابی و منطقی روی اطلاعات طراحی شده است.
ریزپردازنده شامل:
· دستگاه کنترل(CU) - سیگنال های کنترل خاصی (پالس های کنترلی) را در زمان مناسب به تمام بلوک های دستگاه تولید و تحویل می دهد. دستگاه کنترل دنباله پالس مرجع را از ژنراتور پالس ساعت دریافت می کند.
· واحد منطق حسابی(ALU) - طراحی شده برای انجام کلیه عملیات حسابی و منطقی بر روی اطلاعات عددی و نمادین (در برخی از مدل های رایانه شخصی، یک پردازشگر ریاضی اضافی به ALU متصل می شود تا سرعت اجرای عملیات را افزایش دهد).
· حافظه ریزپردازنده(MPP) - به عنوان روز ذخیره کوتاه مدت، ضبط و صدور اطلاعات به طور مستقیم در محاسبات در چرخه های بعدی دستگاه استفاده می شود. (MPP بر روی رجیسترها ساخته شده است و برای اطمینان از سرعت بالای ماشین استفاده می شود، زیرا حافظه اصلی (OP) همیشه سرعت نوشتن، جستجو و خواندن اطلاعات لازم برای عملکرد کارآمد یک ریزپردازنده پرسرعت را فراهم نمی کند. )
سیستم رابط ریزپردازنده- جفت سازی و ارتباط با سایر دستگاه های رایانه شخصی را پیاده سازی می کند. شامل یک رابط MP داخلی، رجیسترهای ذخیره سازی بافر و مدارهای کنترلی برای پورت های ورودی-خروجی (IOP) و گذرگاه سیستم است. رابط- این وسیله ای برای اتصال دو دستگاه است که در آن تمام پارامترهای فیزیکی و منطقی با یکدیگر سازگار هستند. اگر رابط عموماً پذیرفته شود، مثلاً در سطح توافقات بین المللی تأیید شده باشد، به آن استاندارد می گویند.
مولد ساعت . دنباله ای از تکانه های الکتریکی را ایجاد می کند. فرکانس پالس های تولید شده فرکانس ساعت دستگاه را که یکی از ویژگی های اصلی یک رایانه شخصی است، تعیین می کند و تا حد زیادی سرعت عملکرد آن را تعیین می کند، زیرا هر عملیات در دستگاه در تعداد چرخه های مشخصی انجام می شود:
اتوبوس سیستم . این سیستم رابط اصلی یک کامپیوتر است که جفت شدن و ارتباط همه دستگاه های آن را با یکدیگر فراهم می کند. گذرگاه سیستم شامل:
1. گذرگاه داده کد (KShD);
2. گذرگاه کد آدرس (KShA);
3. گذرگاه کد دستورالعمل (KSI);
4. ریل برق
گذرگاه سیستم سه جهت را برای انتقال اطلاعات فراهم می کند:
بین ریزپردازنده و حافظه اصلی؛
بین ریزپردازنده و پورت های ورودی-خروجی دستگاه های خارجی؛
· بین حافظه اصلی و پورت های ورودی/خروجی دستگاه های خارجی (در حالت دسترسی مستقیم به حافظه).
حافظه اصلی (OP). این برای ذخیره و تبادل سریع اطلاعات با سایر واحدهای دستگاه طراحی شده است. OP شامل دو نوع دستگاه ذخیره سازی است: حافظه فقط خواندنی (ROM) و حافظه دسترسی تصادفی (RAM).
رامبرای ذخیره یک برنامه غیرقابل تغییر (دائمی) و فرمت مرجع، به شما امکان می دهد فقط اطلاعات ذخیره شده در آن را به سرعت بخوانید (تغییر اطلاعات در ROM غیرممکن است).
رمبرای ضبط عملیاتی، ذخیره سازی و خواندن اطلاعات (برنامه ها و داده ها) که مستقیماً در فرآیند محاسبه اطلاعات انجام شده توسط رایانه شخصی در دوره زمانی فعلی دخیل هستند در نظر گرفته شده است.
حافظه خارجی . این به دستگاه های PC خارجی اشاره دارد و برای ذخیره طولانی مدت هرگونه اطلاعات استفاده می شود. به طور خاص، تمام نرم افزارهای کامپیوتری در حافظه خارجی ذخیره می شوند. حافظه خارجی شامل انواع مختلفی از دستگاه های ذخیره سازی است که رایج ترین آنها درایوهای دیسک سخت (HDD) و درایوهای فلاپی دیسک (FPHD) هستند.
هدف این درایوها ذخیره حجم زیادی از اطلاعات است
منبع قدرت . این یک بلوک حاوی سیستم های منبع تغذیه مستقل و اصلی برای رایانه شخصی است.
تایمر . این یک ساعت الکترونیکی درون ماشینی است که در صورت لزوم، لحظه فعلی زمان (سال، ماه، ساعت، دقیقه، ثانیه و کسری از ثانیه) را به طور خودکار حذف می کند. تایمر به یک منبع برق مستقل متصل است - باتری و هنگامی که دستگاه از برق جدا می شود به کار خود ادامه می دهد.
دستگاه های خارجی (VU). بر اساس هدف، انواع VU زیر قابل تشخیص است:
دستگاه های ذخیره سازی خارجی (VZU) یا حافظه خارجی رایانه شخصی؛
ابزارهای تعاملی کاربر؛
دستگاه های ورودی؛
دستگاه های خروجی اطلاعات؛
وسایل ارتباطی و مخابراتی.
ابزارهای تعاملی کاربر شامل مانیتورهای ویدئویی (نمایشگر)، ماشین‌های تحریر کنسولی (چاپگرهایی با صفحه کلید) و دستگاه‌هایی برای ورودی-خروجی اطلاعات است.
دستگاه های ورودی عبارتند از:
· صفحه کلید
قرص های گرافیکی (دیجیتالایزر) - برای ورود دستی اطلاعات گرافیکی، تصاویر با حرکت دادن یک اشاره گر (قلم) ویژه در سراسر تبلت. هنگام حرکت قلم، مختصات محل آن به طور خودکار خوانده می شود و این مختصات در رایانه شخصی وارد می شود.
اسکنرها؛
مانیپولاتورها (دستگاه های اشاره گر): جوی استیک - اهرم، ماوس، گوی تراک - توپ در یک قاب، قلم نوری و غیره - برای وارد کردن اطلاعات گرافیکی روی صفحه نمایش با کنترل حرکت مکان نما روی صفحه و به دنبال آن رمزگذاری مختصات مکان نما و وارد کردن آنها به رایانه شخصی؛
· صفحه نمایش لمسی - برای وارد کردن عناصر منفرد از تصویر، برنامه ها یا دستورات از یک صفحه نمایش تقسیم شده در رایانه شخصی.
دستگاه های خروجی عبارتند از:
چاپگرها
پلاترهای گراف (پلاتر)
برای هماهنگ کردن اینترفیس ها، دستگاه های جانبی نه به طور مستقیم، بلکه از طریق کنترل کننده ها (آداپتورها) و پورت ها تقریباً مطابق طرح زیر به اتوبوس متصل می شوند (شکل 8.8).
شکل 9.8 - طرحی برای اتصال دستگاه های جانبی
کنترلرها و آداپتورهامجموعه‌ای از مدارهای الکترونیکی هستند که با دستگاه‌های کامپیوتری به منظور سازگاری رابط‌هایشان عرضه می‌شوند. علاوه بر این، کنترل‌کننده‌ها کنترل مستقیم دستگاه‌های جانبی را به درخواست ریزپردازنده انجام می‌دهند.
پورت هادستگاه‌ها مدارهای الکترونیکی هستند که حاوی یک یا چند رجیستر I/O هستند و به شما امکان می‌دهند لوازم جانبی رایانه را به گذرگاه‌های خارجی ریزپردازنده متصل کنید. به پورت ها دستگاه های رابط استاندارد نیز می گویند: پورت های سریال، موازی و بازی (یا رابط).
درگاه سریال بایت به بایت با پردازنده و با دستگاه های خارجی - بیت به بیت ارتباط برقرار می کند. درگاه موازیبایت به بایت داده را دریافت و ارسال می کند. پورت سریال معمولاً به دستگاه های کند یا بهتر از راه دور مانند ماوس و مودم متصل می شود. دستگاه های "سریع" بیشتری به پورت موازی متصل می شوند - چاپگر و اسکنر. یک جوی استیک از طریق درگاه بازی متصل می شود. صفحه کلید و مانیتور به پورت های تخصصی خود که فقط کانکتور هستند وصل می شوند.
طرح های اضافی . همراه با دستگاه های خارجی معمولی، برخی از تخته های اضافی با مدارهای یکپارچهدر حال گسترش و بهبود است عملکردریزپردازنده: کمک پردازنده ریاضی، کنترل کننده دسترسی مستقیم حافظه، کمک پردازنده ورودی-خروجی، کنترل کننده وقفه و غیره.
3. سخنرانی. معماری کامپیوترهای مدرن با کارایی بالا. ساختار عملکردی یک کامپیوتر مفاهیم اساسی عملکرد نرم افزار کامپیوتر. مبانی الگوریتم سازی
دستگاه ورودی
بلوک حافظه
واحد منطق حسابی
بلوک خروجی
بلوک کنترل
مفاهیم اساسی عملیات
ساختار اتوبوس
نرم افزار
مراحل آماده سازی و حل مسائل در کامپیوتر
الگوریتم ها و روش های توصیف آنها
ساختار عملکردی یک کامپیوتر
همانطور که از شکل زیر آمده است. 3.1، کامپیوتر از پنج بخش اصلی و مستقل از عملکرد تشکیل شده است:
دستگاه ورودی،
دستگاه حافظه،
واحد منطق حسابی،
دستگاه خروجی و
دستگاه کنترل
دستگاه ورودی اطلاعات رمزگذاری شده را از طریق خطوط ارتباطی دیجیتال از اپراتورها، دستگاه های الکترومکانیکی مانند صفحه کلید یا از دیگر رایانه های موجود در شبکه دریافت می کند. اطلاعات دریافتی یا برای استفاده بعدی در حافظه کامپیوتر ذخیره می شود و یا بلافاصله توسط مدارهای حسابی و منطقی برای انجام عملیات لازم استفاده می شود. توالی مراحل پردازش توسط برنامه ذخیره شده در حافظه تعیین می شود. نتایج به دست آمده از طریق یک دستگاه خروجی به دنیای خارج ارسال می شود. همه این اقدامات توسط واحد کنترل هماهنگ می شود. روی انجیر 3.1. پیوندهای بین واحدهای عملکردی عمداً نشان داده نشده است. این با این واقعیت توضیح داده می شود که چنین اتصالاتی را می توان به روش های مختلف پیاده سازی کرد. دقیقاً چگونه است، کمی بعد متوجه خواهید شد. حسابی و منطقدر ترکیب با مدارهای کنترل اصلی، پردازنده نامیده می شود و تجهیزات ورودی و خروجی که با هم جمع می شوند اغلب واحد ورودی-خروجی (واحد ورودی-خروجی) نامیده می شوند.
حالا بیایید به اطلاعات پردازش شده توسط کامپیوتر بپردازیم. به راحتی می توان آن را به دو دسته اصلی تقسیم کرد: دستورات و داده ها. دستورات یا دستورالعمل‌های ماشینی به صراحت دستوراتی داده می‌شوند که:
مدیریت انتقال اطلاعات در داخل رایانه و همچنین بین رایانه و دستگاه های ورودی-خروجی آن؛
عملیات حسابی و منطقی که باید انجام شود را تعیین کنید.
فهرستی از دستورات که برخی از وظایف را انجام می دهند برنامه نامیده می شود. برنامه ها معمولا در حافظه ذخیره می شوند. پردازنده به نوبه خود دستورالعمل های برنامه را از حافظه بازیابی می کند و عملیات تعریف شده توسط آنها را اجرا می کند. کامپیوتر به طور کامل توسط برنامه ذخیره شده کنترل می شود به جز امکان مداخله خارجی توسط اپراتور و دستگاه های I/O متصل به دستگاه.
داده ها اعداد و کاراکترهای رمزگذاری شده هستند که به عنوان عملوندهای دستورالعمل استفاده می شوند. با این حال، اصطلاح "داده" اغلب برای اشاره به هر اطلاعات دیجیتالی استفاده می شود. طبق این تعریف، خود برنامه (یعنی فهرست دستورات) نیز در صورتی که توسط برنامه دیگری در حال پردازش باشد، می تواند داده در نظر گرفته شود. نمونه ای از پردازش یک برنامه توسط برنامه دیگر، تلفیقی یک برنامه منبع نوشته شده به زبان سطح بالا در لیستی از دستورالعمل های ماشین است که یک برنامه زبان ماشین به نام برنامه شیء را تشکیل می دهد. برنامه منبع ورودی به کامپایلر می شود که آن را به یک برنامه زبان ماشین ترجمه می کند.
برنج. 3.1. پایه ای دستگاه های کاربردیکامپیوتر
اطلاعاتی که برای پردازش توسط رایانه در نظر گرفته شده است باید در قالبی مناسب برای رایانه کدگذاری شوند. سخت افزار مدرن بیشتر بر اساس مدارهای دیجیتال، که فقط دو حالت پایدار دارند، ON و OFF (به سخنرانی 2 مراجعه کنید). در نتیجه رمزگذاری، هر عدد، کاراکتر یا دستوری به رشته ای از ارقام دودویی به نام بیت تبدیل می شود که هر کدام دارای یکی از دو مقدار ممکن است: 0 یا 1. برای نمایش اعداد (همانطور که در فصل 4 مشخص خواهد شد) ، معمولاً از نمادهای باینری موقعیتی استفاده می شود. گاهی اوقات از یک فرمت اعشاری با کد باینری (Binary-Coded Decimal، BCD) استفاده می شود که مطابق آن هر رقم اعشاری به طور جداگانه با استفاده از چهار بیت کدگذاری می شود.
حروف و اعداد نیز با استفاده از کدهای باینری نمایش داده می شوند. چندین طرح کدگذاری مختلف برای آنها توسعه داده شده است. طرح‌های ASCII (کد استاندارد آمریکایی برای تبادل اطلاعات) رایج‌ترین طرح‌ها در نظر گرفته می‌شوند. کد استانداردبرای تبادل اطلاعات)، که در آن هر کاراکتر با یک کد 7 بیتی نشان داده می شود، و EBCDIC (کد مبادله اعشاری کدگذاری شده باینری توسعه یافته - کد اعشاری با کد دودویی توسعه یافته برای تبادل اطلاعات)، که از 8 بیت برای رمزگذاری یک کاراکتر استفاده می کند.
3.1.1. دستگاه ورودی
کامپیوتر اطلاعات رمزگذاری شده را از طریق یک دستگاه ورودی دریافت می کند که وظیفه آن خواندن داده ها است. رایج ترین دستگاه ورودی صفحه کلید است. هنگامی که کاربر کلیدی را فشار می دهد، حرف یا عدد مربوطه به طور خودکار به یک کد باینری خاص تبدیل می شود و از طریق کابل به حافظه یا پردازنده ارسال می شود.
تعدادی دستگاه ورودی دیگر نیز وجود دارد، از جمله جوی استیک ها، گوی های حرکتی و موش ها. آنها در ارتباط با نمایشگر به عنوان دستگاه های ورودی گرافیکی استفاده می شوند. برای ورودی صدا می توان از میکروفون استفاده کرد. ارتعاشات صوتی که آنها درک می کنند اندازه گیری شده و به کدهای دیجیتال برای ذخیره سازی و پردازش تبدیل می شوند.
3.1.2. بلوک حافظه
هدف از بلوک حافظه ذخیره برنامه ها و داده ها است. دو دسته از دستگاه های ذخیره سازی اصلی و ثانویه وجود دارد. ذخیره سازی اولیه حافظه ای است که عملکرد آن با سرعت کار تعیین می شود مدارهای الکترونیکی. در حالی که برنامه در حال اجرا است، باید در حافظه اصلی نگهداری شود. این حافظه از تعداد زیادی سلول نیمه هادی تشکیل شده است که هر کدام می توانند یک بیت اطلاعات را ذخیره کنند. سلول ها به ندرت به صورت جداگانه خوانده می شوند - آنها معمولاً در گروه های اندازه ثابت به نام کلمات پردازش می شوند. حافظه به گونه ای سازماندهی شده است که محتویات یک کلمه حاوی n بیت را می توان در یک عملیات اساسی نوشت یا خواند.
برای سهولت دسترسی به کلمات در حافظه، یک آدرس جداگانه به هر کلمه مرتبط می شود. آدرس ها اعدادی هستند که مکان های خاصی از کلمات را در حافظه مشخص می کنند. برای خواندن یک کلمه از حافظه یا نوشتن آن، باید آدرس آن را مشخص کنید و یک فرمان کنترلی را مشخص کنید که عملیات مربوطه را شروع می کند.
تعداد بیت ها در هر کلمه اغلب به عنوان طول یک کلمه ماشینی نامیده می شود. به طور معمول، یک کلمه بین 16 تا 64 بیت است. یکی از عوامل مشخص کننده کلاس یک کامپیوتر ظرفیت حافظه آن است. ماشین‌های کوچک معمولاً می‌توانند تنها چند ده میلیون کلمه را ذخیره کنند، در حالی که ماشین‌های متوسط و بزرگ معمولاً می‌توانند صدها میلیون و میلیاردها کلمه را ذخیره کنند. واحدهای معمولی برای اندازه گیری میزان داده های پردازش شده توسط یک ماشین عبارتند از یک کلمه، چند کلمه یا بخشی از یک کلمه. به عنوان یک قاعده، تنها یک کلمه در طول یک دسترسی به حافظه خوانده یا نوشته می شود.
در حین اجرا، برنامه باید در حافظه باشد. دستورالعمل ها و داده ها باید بر روی حافظه نوشته شده و تحت کنترل پردازنده خوانده شوند. امکان دسترسی بسیار سریع به هر کلمه ای از حافظه بسیار مهم است. حافظه ای که در هر نقطه در زمان کوتاه و ثابت قابل دسترسی باشد، حافظه دسترسی تصادفی (RAM) نامیده می شود. زمان دسترسی به یک کلمه را زمان دسترسی به حافظه می گویند. این زمان همیشه یکسان است، مهم نیست که کلمه مورد نظر در کجا قرار دارد. زمان دسترسی به حافظه در مدرن دستگاه های رماز چند نانوثانیه تا 100 متغیر است. حافظه کامپیوتر معمولاً یک ساختار سلسله مراتبی است که از سه یا چهار سطح از عناصر RAM نیمه هادی با سرعت ها و اندازه های مختلف تشکیل شده است. سریعترین نوع رم، کش (یا به سادگی کش) است. این به طور مستقیم به پردازنده متصل است و اغلب بر روی همان تراشه یکپارچه با آن قرار دارد، به همین دلیل کار پردازنده به طور قابل توجهی تسریع می شود. حافظه بزرگتر، اما با سرعت کمتر، حافظه اصلی نامیده می شود. در ادامه در این سخنرانی، فرآیند دستیابی به اطلاعات در حافظه با جزئیات بیشتری شرح داده شده است و در ادامه اصول عملکرد آن و مسائل مربوط به عملکرد را به تفصیل بررسی خواهیم کرد.
دستگاه های ذخیره سازی اولیه اجزای بسیار مهمی برای کامپیوتر هستند، اما بسیار گران هستند. بنابراین، رایانه‌ها مجهز به دستگاه‌های ذخیره‌سازی ثانویه ارزان‌تر و اضافی هستند که برای ذخیره مقادیر زیادی داده و تعداد زیادی برنامه استفاده می‌شوند. در حال حاضر، چنین دستگاه های زیادی وجود دارد. اما گسترده ترین دیسک های مغناطیسی، نوارهای مغناطیسی و دیسک های نوری (CD-ROM).
3.1.3. واحد منطق حسابی
بیشتر عملیات کامپیوتری در واحد منطق حسابی (ALU) پردازنده انجام می شود. بیایید یک مثال معمولی را در نظر بگیریم. فرض کنید باید دو عدد در حافظه اضافه کنیم. این اعداد به پردازنده ارسال می شوند، جایی که ALU جمع آنها را انجام می دهد. مقدار حاصل را می توان در حافظه نوشت یا برای استفاده فوری در پردازنده گذاشت.
هر گونه عملیات حسابی یا منطقی دیگر، از جمله ضرب، تقسیم و مقایسه اعداد، با ارسال این اعداد به پردازنده شروع می شود، جایی که ALU باید عملیات مناسب را انجام دهد. هنگامی که عملوندها به پردازنده منتقل می شوند، در عناصر حافظه پرسرعت به نام ثبات ذخیره می شوند. هر ثبت می تواند یک کلمه از داده ها را ذخیره کند. زمان دسترسی به رجیسترهای پردازنده حتی کمتر از زمان دسترسی به سریعترین حافظه کش است.
واحدهای کنترل و حسابی-منطقی چندین برابر سریعتر از سایر دستگاه های متصل به آن عمل می کنند سیستم کامپیوتری. این به یک پردازنده اجازه می دهد تا بسیاری از دستگاه های خارجی مانند صفحه کلید، صفحه نمایش، دیسک های مغناطیسی و نوری، سنسورها و کنترل های مکانیکی را کنترل کند.
3.1.4. بلوک خروجی
عملکرد بلوک خروجی برعکس بلوک ورودی است: نتایج پردازش را به اصطلاح به دنیای خارج هدایت می کند. یک نمونه معمولی از دستگاه خروجی چاپگر است. چاپگرها از مکانیسم های ضربه، سرهای جوهر افشان یا فناوری های فتوکپی مانند پرینترهای لیزری برای چاپ استفاده می کنند. پرینترهایی وجود دارند که می توانند تا 10000 خط در دقیقه چاپ کنند. برای یک دستگاه مکانیکی، این سرعت بسیار زیاد است، اما در مقایسه با سرعت پردازنده، ناچیز است.
برخی از دستگاه ها، به ویژه نمایشگرهای گرافیکی، هم عملکرد خروجی و هم عملکرد ورودی را انجام می دهند. بنابراین به آنها دستگاه های ورودی-خروجی می گویند.
3.1.5. بلوک کنترل
دستگاه های حافظه، حساب و منطق، ورودی و خروجی اطلاعات را ذخیره و پردازش می کنند و عملیات ورودی و خروجی را انجام می دهند. عملکرد چنین دستگاه هایی باید به نحوی هماهنگ شود. این دقیقاً همان کاری است که واحد کنترل انجام می دهد. این، به اصطلاح، مرکز عصبی یک کامپیوتر است که سیگنال‌های کنترلی را به دستگاه‌های دیگر منتقل می‌کند و وضعیت آنها را نظارت می‌کند.
عملیات I/O توسط دستورات برنامه ای کنترل می شود که دستگاه های I/O مربوطه و داده های در حال انتقال را شناسایی می کند. با این حال، سیگنال‌های زمان‌بندی واقعی که انتقال را کنترل می‌کنند توسط مدارهای کنترلی تولید می‌شوند. سیگنال‌های زمان‌بندی سیگنال‌هایی هستند که تعیین می‌کنند یک عمل معین چه زمانی باید انجام شود. علاوه بر این، با استفاده از سیگنال های ساعت تولید شده توسط واحد کنترل، داده ها بین پردازنده و حافظه منتقل می شود. واحد کنترل را می توان به عنوان یک دستگاه مجزا در نظر گرفت که با سایر قسمت های دستگاه تعامل دارد. اما در عمل این به ندرت اتفاق می افتد. بیشتر مدارهای کنترلی به صورت فیزیکی در مکان های مختلف کامپیوتر توزیع می شوند. سیگنال‌هایی که برای همگام‌سازی رویدادها و اقدامات همه دستگاه‌ها استفاده می‌شوند، از طریق چندین خط کنترل (سیم) منتقل می‌شوند. به طور کلی عملکرد یک کامپیوتر را می توان به شرح زیر توصیف کرد:
کامپیوتر با استفاده از واحد ورودی، اطلاعات را در قالب برنامه ها و داده ها دریافت کرده و در حافظه می نویسد.
اطلاعات ذخیره شده در حافظه تحت کنترل برنامه برای پردازش بیشتر به واحد منطق حسابی ارسال می شود.
داده های به دست آمده در نتیجه پردازش اطلاعات به دستگاه های خروجی ارسال می شود.
واحد کنترل مسئولیت کلیه اقدامات انجام شده در داخل دستگاه را بر عهده دارد.
همانطور که در بخش 3.1 بحث شد، اقدامات یک کامپیوتر توسط دستورالعمل ها کنترل می شود. برای انجام یک کار خاص، یک برنامه مربوطه در حافظه نوشته می شود که شامل مجموعه ای از دستورالعمل ها است. دستورالعمل ها به نوبه خود از حافظه به پردازنده ارسال می شوند که آنها را اجرا می کند. داده های مورد استفاده به عنوان عملوند دستورالعمل نیز در حافظه ذخیره می شود. در اینجا یک مثال از یک دستور معمولی آورده شده است:
این دستور عملوند ذخیره شده در حافظه در آدرس LOCA را با عملوند ذخیره شده در ثبات R0 روی پردازنده اضافه می کند و نتیجه را در همان ثبات قرار می دهد. محتویات اصلی حافظه در LOCA تغییر نمی کند و محتویات ثبات R0 رونویسی می شود. این دستور در چند مرحله اجرا می شود. ابتدا از حافظه به پردازنده منتقل می شود. سپس عملوند دستورالعمل از حافظه در آدرس LOCA خوانده می شود و به محتویات ثبات R0 اضافه می شود و پس از آن مجموع حاصل برای ثبت R0 نوشته می شود.
دستور Add شرح داده شده دو عملیات را ترکیب می کند: یک دسترسی به حافظه و یک عملیات ALU. در بسیاری از رایانه های مدرن، این دو نوع عملیات با استفاده از دستورالعمل های جداگانه انجام می شود. این تقسیم بندی بر اساس ملاحظات عملکرد است که در ادامه به آن خواهیم پرداخت. دستور فوق را می توان به صورت دو دستور نیز پیاده سازی کرد:
1) بارگذاری R3, LOCA برای معماری اینتل (IA-32): mov bx,loca
R0,R3 اضافه کردن تبر، bx
اولین دستورالعمل، محتویات حافظه در آدرس LOCA را به ثبات پردازنده R1 کپی می کند و دستور دوم محتویات ثبات های R1 و R0 را اضافه می کند و مجموع را در ثبات R0 قرار می دهد. توجه داشته باشید که در نتیجه اجرای دو دستور، محتوای اصلی هر دو رجیستر از بین رفته و محتوای حافظه در آدرس LOCA حفظ می شود.
انتقال داده ها بین حافظه و پردازنده با ارسال آدرس کلمه مورد نظر به دستگاه حافظه و صدور سیگنال های کنترلی مناسب آغاز می شود. سپس داده ها به یا از حافظه منتقل می شوند.
روی انجیر شکل 3.2 نحوه اتصال حافظه و پردازنده را نشان می دهد. علاوه بر این، شکل چندین ویژگی مهم پردازنده را نشان می دهد که هنوز در مورد آنها صحبت نکرده ایم. نمودار سیم کشی واقعی این اجزا را نشان نمی دهد، زیرا در حال حاضر ما فقط ویژگی های عملکردی آنها را مورد بحث قرار می دهیم. هنگام در نظر گرفتن طراحی پردازنده، اتصال قطعات با جزئیات بیشتر در بخش 8 توضیح داده شده است.
علاوه بر مدارهای ALU و کنترل، پردازنده دارای رجیسترهای زیادی است که برای اهداف مختلف طراحی شده اند. ثبت دستورالعمل (IR) حاوی کد دستوری است که در حال اجراست. نتیجه آن برای کنترل مدارهایی است که سیگنال هایی را برای کنترل عناصر مختلف درگیر در اجرای فرمان تولید می کنند. ثبت تخصصی دیگری به نام شمارنده برنامه (PC) برای کنترل پیشرفت برنامه استفاده می شود. این شامل آدرس دستور بعدی است که باید واکشی و اجرا شود. در حالی که دستور بعدی در حال اجرا است، محتوای ثبت PC به روز می شود - آدرس دستورالعمل بعدی روی آن نوشته می شود. گفته می شود که رجیستر PC به دستورالعملی که باید از حافظه واکشی شود اشاره می کند. علاوه بر رجیسترهای IR و PC در شکل. 3.2 n رجیستر با هدف عمومی را نشان می دهد، از R0 تا R„-i. اینکه آنها برای چه هستند در فصل 2 توضیح داده شده است.
در نهایت، دو ثبات دیگر تعامل با حافظه را فراهم می کنند. اینها رجیستر آدرس (Memory Address Register, MAR) و ثبت داده (Memory Data Register, MDR) هستند. رجیستر MAR حاوی آدرسی است که در آن به حافظه دسترسی پیدا می شود و رجیستر MDR حاوی داده هایی است که باید در این آدرس در حافظه نوشته یا از آن خوانده شود.
یک فرآیند معمولی از اجرای یک برنامه توسط کامپیوتر را در نظر بگیرید. برنامه در حافظه قرار دارد، جایی که معمولاً از طریق دستگاه ورودی دریافت می شود. اجرای آن با نوشتن آدرس اولین دستور در رجیستر PC آغاز می شود. محتویات این ثبات به رجیستر MAR منتقل می شود و سیگنال کنترل Read به حافظه ارسال می شود. هنگامی که زمان لازم برای دسترسی به حافظه به پایان می رسد، کلمه آدرس دهی شده (در این مورد، اولین دستورالعمل برنامه) از حافظه خوانده می شود و در رجیستر MDR بارگذاری می شود. سپس محتویات رجیستر MDR به رجیستر IR منتقل می شود. دستور آماده رمزگشایی و اجرا است.
اگر یک دستورالعمل به ALU نیاز دارد تا عملیات خاصی را انجام دهد، باید عملوندهایی را برای آن به دست آورد. یک عملوند واقع در حافظه (همچنین می تواند در یک ثبات همه منظوره باشد) ابتدا باید با انتقال آدرس آن به ثبات MAR و مقداردهی اولیه حلقه Read از آن استخراج شود. پس از انتقال از حافظه به رجیستر MDR، عملوند به ALU ارسال می شود. به همین ترتیب، بقیه عملوندهای لازم برای دستور به آنجا منتقل می شوند و پس از آن ALU قادر به انجام عملیات مورد نیاز خواهد بود. اگر نتیجه لازم باشد در حافظه ذخیره شود، در رجیستر MDR نوشته می شود. سپس آدرسی که باید در حافظه نوشته شود در رجیستر MAR قرار می گیرد و پس از آن حلقه Write راه اندازی می شود. در مرحله ای از اجرای دستور فعلی، رجیستر PC افزایش می یابد تا به دستور بعدی که باید اجرا شود اشاره کند. به عبارت دیگر، به محض اتمام اجرای دستورالعمل فعلی، امکان شروع واکشی دستور بعدی وجود خواهد داشت.
برنج. 3.2.ارتباط بین پردازنده و حافظه
رایانه نه تنها داده ها را بین حافظه و پردازنده ارسال می کند، بلکه آنها را از دستگاه های ورودی دریافت می کند و به دستگاه های خروجی نیز ارسال می کند. بنابراین در میان دستورالعمل های ماشین، دستورالعمل هایی برای انجام عملیات I/O نیز وجود دارد.
اگر نیاز به سرویس فوری یک دستگاه وجود داشته باشد (به عنوان مثال، هنگامی که یک دستگاه نظارتی در یک فرآیند صنعتی خودکار یک موقعیت خطرناک را تشخیص دهد)، ممکن است اجرای عادی برنامه قطع شود. برای پاسخ فوری به این وضعیت، رایانه باید اجرای برنامه فعلی را قطع کند. برای این منظور، دستگاه یک سیگنال وقفه تولید می کند. وقفه درخواستی از یک دستگاه I/O برای دادن زمان CPU به آن است. برای سرویس این دستگاه، پردازنده کنترل کننده وقفه مناسب را اجرا می کند. و از آنجایی که اجرای آن می تواند وضعیت داخلی پردازنده را تغییر دهد، قبل از سرویس وقفه، باید وضعیت آن را در حافظه ذخیره کنید. به طور معمول، این عملیات محتویات رجیستر PC، رجیسترهای عمومی و برخی اطلاعات کنترل را ذخیره می کند. هنگامی که کنترل کننده وقفه پایان می یابد، وضعیت پردازنده بازیابی می شود و برنامه قطع شده ادامه می یابد. پردازنده با تمام عناصرش (شکل 3.2) معمولاً به صورت یک ریزمدار واحد پیاده سازی می شود که حداقل یک دستگاه حافظه کش روی آن قرار دارد. چنین تراشه هایی VLSI نامیده می شوند (VLSI مخفف Very Large Scale Integration است که به معنای یکپارچه سازی در مقیاس بسیار بزرگ است).