Funktionell struktur för en dator. Funktionell-strukturell organisation av en persondator. Datorn fungerar som ett databehandlingssystem
Beskrivning av presentationen på enskilda bilder:
1 rutschkana
Beskrivning av bilden:
2 rutschkana
Beskrivning av bilden:
Internminne är en elektronisk enhet som lagrar information medan den drivs av elektricitet. När datorn är frånkopplad från nätverket kommer information från random access minne försvinner. Programmet, medan det körs, lagras i internminne dator. (Princip av von Neumann - principen för ett lagrat program). Externt minne är olika magnetiska medier (band, diskar), optiska skivor. Att spara information om dem kräver inte konstant strömförsörjning. Figuren visar ett diagram över en datorenhet, med hänsyn till två typer av minne. Pilar visar riktningar informationsutbyte
3 rutschkana
Beskrivning av bilden:
1. Enheter ingår systemblock 1.1. Moderkort Moderkortet tillhandahåller kommunikation mellan alla PC-enheter genom att sända en signal från en enhet till en annan. På en yta moderkort det finns ett stort antal kontakter utformade för att installera andra enheter: uttag - uttag för processorer; platser - platser för RAM och expansionskort; I/O-portkontroller. Moderkort - tryckt kretskort på vilken de flesta komponenterna i ett datorsystem är monterade. Namnet kommer från det engelska moderkortet, ibland används förkortningen MB eller ordet mainboard - huvudkortet.
4 rutschkana
Beskrivning av bilden:
A - anslutning (uttag) på centralprocessorn B - kontakter för minnesenhet med direktåtkomst C - kontakter för anslutning av ett grafikkort, internt modem, etc. D - kontakter för anslutning av externa in-/utgångsenheter 1. Enheter som ingår i systemenheten 1.1. Moderkort Upprätta en överensstämmelse mellan kontakterna som anges i figuren (enheter för växling) och deras syfte:
5 rutschkana
Beskrivning av bilden:
Processorn har en stor kylfläns som kyls av en fläkt (kylare). Strukturellt består processorn av celler i vilka data inte bara kan lagras utan också ändras. Processorns interna celler kallas register. Enheter som ingår i systemenheten 1.2. Central processing unit Central processing unit, eller central processing unit (CPU) (engelsk central processing unit - CPU) är datorns huvudmikrokrets, i vilken alla beräkningar utförs.
6 rutschkana
Beskrivning av bilden:
adressbuss. På Intel-processorer Pentium (de är nämligen vanligast idag i persondatorer) adressbuss är 32-bitars, det vill säga den består av 32 parallella linjer. Databuss. Denna buss används för att kopiera data från RAM till processorregister och vice versa. I datorer sammansatta på basis av Intel Pentium-processorer är databussen 64-bitars, det vill säga den består av 64 linjer, längs vilka 8 byte skickas för bearbetning på en gång. Kommandobuss. För att processorn ska kunna behandla data behöver den instruktioner. Den måste veta vad den ska göra med de bytes som finns lagrade i dess register. Dessa kommandon kommer till processorn också från RAM, men inte från de områden där datamatriser lagras, utan från där program lagras. Kommandon representeras också som bytes. De enklaste kommandona ryms i en byte, men det finns också de som kräver två, tre eller fler byte. Enheter som ingår i systemenheten 1.2. Centralprocessor Med resten av datorenheterna, och i första hand med RAM, är processorn ansluten av flera grupper av ledare som kallas bussar. Det finns tre huvudbussar: databuss, adressbuss och kommandobuss.
7 rutschkana
Beskrivning av bilden:
Processorns driftspänning tillhandahålls av moderkortet, så olika märken av processorer motsvarar olika moderkort (de måste väljas tillsammans). Tidiga processormodeller hade Driftspänning 5V, och för närvarande är det mindre än 3V. Processorkapaciteten indikerar hur många bitar av data den kan ta emot och bearbeta i sina register åt gången (per klockcykel). De första processorerna var 4-bitars. Processorn bygger på samma klockprincip som i konventionella klockor. Utförandet av varje kommando tar ett visst antal cykler. I en persondator ställs klockpulserna in av en av mikrokretsarna som ingår i mikroprocessorsatsen (chipset) som finns på moderkortet. Ju högre frekvens av klockor som tas emot av processorn, desto fler kommandon kan den utföra per tidsenhet, desto högre blir processorns prestanda. Utbytet av data inom processorn är flera gånger snabbare än utbytet med andra enheter, såsom RAM. För att minska antalet åtkomster till RAM skapas ett buffertområde inuti processorn - det så kallade cacheminnet. Det är som "supersnabbt minne". När processorn behöver data kommer den först åt cacheminnet, och endast om nödvändig data inte finns där får den tillgång till RAM-minnet Enheter som ingår i systemenheten 1.2. Centralprocessor Huvudparametrarna för processorer är: driftspänning, bitdjup, driftklockfrekvens, intern klockmultiplikator och cachestorlek.
8 glida
Beskrivning av bilden:
Det finns två typer av RAM - Random Access Memory (RAM) och Read Only Memory (ROM). Random Access Memory (RAM) används för att lagra program, data och mellanliggande resultat av beräkningar under datordrift. Data kan väljas från minnet i en godtycklig ordning, och inte strikt sekventiellt, som till exempel är fallet när man arbetar med ett magnetband. Enheter som ingår i systemenheten 1.3. Random Access Memory Random Access Memory (RAM - Random Access Memory). Skrivskyddat minne (ROM) används för att permanent lagra vissa program, till exempel program bootstrap Dator - BIOS (grundläggande input-output system - bassystem I/O). Innehållet i detta minne kan inte ändras medan datorn är igång. RAM är flyktigt, det vill säga data lagras i det endast tills datorn stängs av.
9 rutschkana
Beskrivning av bilden:
Till skillnad från en "flexibel" diskett (diskett) registreras information i en hårddisk på hårda (aluminium eller glas) plattor belagda med ett lager av ferromagnetiskt material. Läshuvuden i driftläget vidrör inte plattornas yta på grund av luftskiktet som bildas under skivornas snabba rotation. Enheter som ingår i systemenheten 1.4. HDD Hårddisk, hårddisk eller hårddisk (eng. Hard Disk Drive, HDD) - icke-flyktig, omskrivbar datorlagringsenhet
10 rutschkana
Beskrivning av bilden:
Namnet "winchester" fick hårddisken tack vare IBM, som 1973 släppte hårddisken modell 3340, som för första gången kombinerade diskar och läshuvuden i ett allt-i-ett-fodral. Under utvecklingen använde ingenjörer det korta interna namnet "30-30", vilket innebar två moduler (i maximal layout) på 30 MB vardera. Kenneth Haughton, projektledare, föreslog, i samklang med beteckningen av det populära jaktgeväret "Winchester 30-30", att kalla denna skiva för en "Winchester". I Europa och Amerika förföll namnet "Winchester" på 1990-talet; i rysk datorslang bevarades namnet "hårddisk", förkortat till ordet "skruv". Enheter som ingår i systemenheten 1.4. HDD
11 rutschkana
Beskrivning av bilden:
Ett gränssnitt är en metod som används för att överföra data. Moderna enheter kan använda ATA (IDE, EIDE), Serial ATA, SCSI, SAS, FireWire, USB och Fibre Channel-gränssnitt. Kapacitet - mängden data som kan lagras på enheten. Kapaciteten hos moderna enheter kan nå upp till 1,5 TB, hårddiskar med en kapacitet på 80, 120, 200, 320 GB är vanliga i datorer idag. I motsats till systemet med prefix som används inom datavetenskap, som betecknar en multipel av 1024 värde (kilo \u003d 1024), tillverkare när de utpekar kapacitet hårddiskar multipler av 1000 används. Så till exempel är den "riktiga" kapaciteten för en hårddisk märkt "200 GB" 186,2 GB. Fysisk storlek - nästan alla moderna enheter för persondatorer och servrar är antingen 3,5 eller 2,5 tum stora. De senare används oftare i bärbara datorer. Spindelhastighet - antalet varv av spindeln per minut. Åtkomsttid och dataöverföringshastighet beror till stor del på denna parameter. För närvarande produceras hårddiskar med följande standardrotationshastigheter: 4200, 5400 och 7200 (bärbara datorer), 7200 och 10000 (persondatorer), 10000 och 15000 rpm. (servrar och högpresterande arbetsstationer). Enheter som ingår i systemenheten 1.4. Hårddiskegenskaper
12 rutschkana
Beskrivning av bilden:
Vanligtvis är ett grafikkort ett expansionskort och sätts in i en speciell kortplats (ISA, VLB, PCI, AGP, PCI-Express) för grafikkort på moderkortet, men det kan också vara inbyggt. Ett modernt grafikkort består av följande huvuddelar: Graphics Processing Unit (GPU) - hanterar beräkningarna av utdatabilden och befriar från detta ansvar CPU, utför beräkningar för att bearbeta kommandon 3D-grafik. Ett grafikkort (även känt som ett grafikkort, grafikkort, videoadapter) (engelsk grafikkort) är en enhet som omvandlar en bild som är lagrad i datorns minne till en videosignal för en bildskärm. Enheter som ingår i systemenheten 1.5. Grafikkort Videokontroller - ansvarar för bildandet av bilden i videominnet. Videominne - fungerar som en buffert där en bild lagras i digitalt format, avsedd för visning på skärmen. Digital-till-analog-omvandlare (DAC) - används för att konvertera bilden som genereras av videokontrollen till färgintensitetsnivåer som levereras till en analog bildskärm
13 rutschkana
Beskrivning av bilden:
På moderkortet är ljudkortet installerat i ISA (legacy format) eller PCI (modern format) platser. När ljudkortet är installerat visas portar på baksidan av datorhöljet för anslutning av högtalare, hörlurar och en mikrofon. Enheter som ingår i systemenheten 1.6. Ljudkort Ett ljudkort (även kallat ljudkort, ljudadapter) används för att spela in och spela upp olika ljudsignaler: tal, musik, ljudeffekter. 1.7. Nätverkskort Nätverkskortet (även känt som Nätverkskort, nätverksadapter, Ethernet-kort, NIC (engelsk nätverkskort)) - ett kretskort som gör att datorer kan interagera med varandra genom lokalt nätverk. Vanligtvis kommer nätverkskortet som en separat enhet och sätts in i expansionsplatserna på moderkortet (mest PCI, tidiga modeller använde ISA-bussen).
14 rutschkana
Beskrivning av bilden:
Vanligtvis är en diskett en flexibel plastplatta belagd med ett ferromagnetiskt skikt, därav det engelska namnet “floppy disk” (”floppy disk”). Denna platta är placerad i ett skyddande skal som skyddar det magnetiska lagret från fysisk skada. Skalet är flexibelt eller hållbart. Disketter skrivs och läses med hjälp av en speciell enhet - en diskettenhet (diskettenhet). Disketter har vanligtvis en skrivskyddsfunktion som gör att du kan ge skrivskyddad åtkomst till data. Enheter som ingår i systemenheten 1.8. 3,5'' diskettstation En diskett är ett bärbart magnetiskt lagringsmedium som används för repetitiv inspelning och lagring av relativt små data. En 3½" (90 mm) diskett introducerades på marknaden. En senare version har en kapacitet på 1440 kilobyte eller 1,40 megabyte Det var den här typen av disketter som blev standarden och används än idag.
15 rutschkana
Beskrivning av bilden:
Enheter som ingår i systemenheten 1.9. CD-enheter Digital information representeras på en CD av omväxlande fördjupningar (icke-reflekterande fläckar) och ljusreflekterande öar. En CD har bara ett fysiskt spår i form av en kontinuerlig spiral som löper från skivans ytterdiameter till innerdiametern. Avläsning av information från en CD sker med hjälp av en laserstråle, som faller på en reflekterande ö avleds av en fotodetektor, som tolkar detta som en binär enhet. Laserstrålen som kommer in i kaviteten sprids och absorberas: fotodetektorn fixerar en binär nolla. Dataöverföringshastigheten för enheten bestäms av skivans rotationshastighet. Det specificeras vanligtvis i jämförelse med Audio CD-standarden, för vilken dataläshastigheten är cirka 150 Kb/s. De där. CDx2 betyder att hastigheten för datautbyte med en sådan disk är dubbelt så hög som 150 KB/s. Högsta hastighet rotation av en CD överstiger hastigheten för att läsa en ljud-CD med 52 gånger. 52x150 KB/s=7800 KB/s. För närvarande har enheter med möjlighet att spela in en gång (CD-R) och skriva om (CD-RW) information blivit tillgängliga för massanvändaren.
16 rutschkana
Beskrivning av bilden:
Enheter som ingår i systemenheten 1.10. DVD-enheter DVD-skivor(Digital Versatile Disc, digital multi-purpose eller universal, disk) är optiska skivor med hög kapacitet som används för att lagra fullängdsfilmer, högkvalitativ musik och datorprogram. Det finns flera varianter av DVD, som skiljer sig i kapacitet: enkelsidig och dubbelsidig, enkellager och dubbellager. Enkelsidiga DVD-skivor med ett lager har en kapacitet på 4,7 GB information, dubbelt lager - 8,5 GB; dubbelsidigt enkellager rymmer 9,4 GB, dubbelt lager - 17 GB. laserstråle i normal CD-ROM-enhet har en våglängd på 780 nm, och i DVD-enheter - från 635 nm till 650 nm, på grund av vilken densiteten DVD-inspelning betydligt högre. Förutom att läsa data från DVD med en hastighet av cirka 1,2 MB/s, DVD-enheter kan läsa vanliga CD-ROM-skivor med en hastighet som ungefär motsvarar 8-10-hastighets CD-ROM-enheter.
18 rutschkana
Beskrivning av bilden:
Eftersom persondatorer har blivit utbredda för närvarande kommer vi att överväga deras funktionella och strukturella organisation i detalj.
PC:ns huvudblock och deras syfte
Strukturplan personlig dator visad i fig. 3.13.
Ris. 3.13. Strukturdiagram av en PC
Mikroprocessor
Mikroprocessor ( MP) är en central PC-enhet utformad för att styra driften av alla maskinblock och för att utföra aritmetiska och logiska operationer på information.
Mikroprocessorn består av flera komponenter.
Styrenhet (CU): genererar och levererar vissa styrsignaler (styrpulser) till alla block i maskinen vid rätt tidpunkt, på grund av detaljerna för den operation som utförs och resultaten av tidigare operationer; bildar adresserna för minnescellerna som används av operationen som utförs, och överför dessa adresser till motsvarande block i datorn; styranordningen tar emot referenspulssekvensen från klockpulsgeneratorn.
Aritmetisk logisk enhet (ALU): utformad för att utföra alla aritmetiska och logiska operationer på numerisk och symbolisk information (i vissa PC-modeller är en ytterligare matematisk samprocessor ansluten till ALU för att påskynda exekveringen av operationer ).
Mikroprocessorminne (MPM): utformat för korttidslagring, inspelning och utfärdande av information som används direkt i maskinens nästa cykler; MPP är byggt på register för att säkerställa hög maskinhastighet, eftersom huvudminnet (OP) inte alltid tillhandahåller den hastighet att skriva, söka och läsa information som krävs för effektiv drift av en höghastighetsmikroprocessor. Register är höghastighetsminnesceller av olika längder (till skillnad från OP-celler, som har en standardlängd på 1 byte och en lägre hastighet).
Mikroprocessorgränssnittssystemet är utformat för att samverka med och kommunicera med andra PC-enheter; inkluderar ett internt MP-gränssnitt, buffertlagringsregister och styrkretsar för in-/utgångsportar (I/O) och systembussen.
Så, gränssnittet (gränssnittet) - en uppsättning medel för gränssnitt och kommunikation av datorenheter, vilket säkerställer deras effektiva interaktion.
I/O-port - element i PC-systemets gränssnitt genom vilka MP utbyter information med andra enheter.
Klockgeneratorn genererar en sekvens av elektriska pulser, vars frekvens bestämmer mikroprocessorns klockfrekvens. Tidsintervallet mellan intilliggande pulser bestämmer tiden för en cykel eller helt enkelt maskinens cykel. Frekvensen för klockpulsgeneratorn är en av de viktigaste egenskaperna hos en persondator och bestämmer till stor del hastigheten på dess drift, eftersom varje operation i en dator utförs i ett visst antal cykler.
Systembuss
Systembussen är huvudgränssnittssystemet för en dator som tillhandahåller gränssnitt och kommunikation av alla dess enheter med varandra. Systembussen inkluderar:
koddatabuss (CSHD), innehållande ledningar och gränssnittskretsar för parallell överföring av alla siffror i den numeriska koden (maskinordet) för operanden;
adresskodbuss (KSA), innehållande ledningar och gränssnittskretsar för parallell överföring av alla siffror i adresskoden för huvudminnescellen eller ingångsutgångsporten på en extern enhet;
instruktionskodbuss (KSI), innehållande ledningar och gränssnittskretsar för överföring av instruktioner (styrsignaler, pulser) till alla maskinblock;
strömbuss som innehåller kablar och gränssnittskretsar för anslutning av PC-enheter till strömförsörjningssystemet.
Systembussen tillhandahåller tre riktningar för informationsöverföring:
mellan mikroprocessor och huvudminne;
mellan mikroprocessorn och in-utgångsportarna på externa enheter;
mellan huvudminnet och I/O-portarna på externa enheter (i direkt minnesåtkomstläge).
Alla block, eller snarare deras in-utgångsportar, är anslutna till bussen på samma sätt genom motsvarande enhetliga kontakter (skarvar): direkt eller genom kontroller (adaptrar). Systembussen styrs av mikroprocessorn antingen direkt eller, oftare, genom ett extra styrchip. däck, som bildar huvudstyrsignalerna. Utbytet av information mellan externa enheter och systembussen utförs med hjälp av ASCII-koder.
huvudminne
Huvudminnet (OP) är utformat för att lagra och snabbt utbyta information med andra block i maskinen. OP innehåller två typer av lagringsenheter: Read Only Memory (ROM) och Random Access Memory (RAM).
ROM (ROM - Read Only Memory) är utformad för att lagra oföränderlig (permanent) programvara och bakgrundsinformation; låter dig snabbt bara läsa informationen som lagras i den (det är omöjligt att ändra informationen i ROM);
RAM (RAM - Random Access Memory) är utformat för operativ inspelning, lagring och läsning av information (program och data) som är direkt involverad i informations-beräkningsprocessen som utförs av PC:n under den aktuella tidsperioden.
De främsta fördelarna med RAM är dess höga prestanda och möjligheten att komma åt varje minnescell separat (direkt adressåtkomst till cellen). Som en nackdel med RAM bör det noteras omöjligheten att lagra information i den efter att ha stängt av strömmen till maskinen (volatilitet).
Utöver huvudminnet har PC-moderkortet även icke-flyktigt minne. CMOS RAM (Complementary Metal-Oxide Semiconductor RAM), ständigt driven av dess batteri; den lagrar information om datorns hårdvarukonfiguration (om all hårdvara som finns i datorn), som kontrolleras varje gång systemet slås på.
Externt minne
Externt minne avser externa PC-enheter och används för långtidslagring av all information som någonsin kan behövas för att lösa problem. Framför allt lagras all datorprogramvara i externt minne. Externt minne representeras av olika typer av lagringsenheter, men de vanligaste av dem, tillgängliga på nästan vilken dator som helst, är hårddiskar som visas i blockschemat. (Hårddisk) och floppy (FPHD) magnetiska diskar.
Syftet med dessa enheter: lagring av stora mängder information, inspelning och utfärdande av information på begäran till direktminnet. HDMD och NGMD skiljer sig konstruktivt i mängden lagrad information och tiden för dess sökning, inspelning och läsning. Som externa minnesenheter används också ofta optiska diskenheter (CD ROM - Compact Disk Read Only Memory) och mindre ofta - lagringsenheter på kassettmagnetband (NKML, streamers).
Energikälla
Strömförsörjning - en enhet som innehåller autonoma och nätströmförsörjningssystem för PC:n.
Timer
Timer - i maskinen Digital klocka realtid, vilket ger, om nödvändigt, automatisk borttagning av det aktuella tidsögonblicket (år, månad, timmar, minuter, sekunder och bråkdelar av sekunder). Timern är ansluten till en autonom strömkälla - ett batteri, och när maskinen kopplas bort från elnätet fortsätter den att fungera.
Externa enheter
Externa enheter (ED) i en PC är den viktigaste komponenten i alla datorkomplex, det räcker med att säga att kostnadsmässigt står ED:er för upp till 80–85 % av kostnaden för hela datorn.
VU PC ger maskinens interaktion med miljön: användare, kontrollobjekt och andra datorer.
Externa enheter inkluderar:
externa lagringsenheter (VSD) eller externt minne på en PC;
användarverktyg för dialog;
inmatningsapparater;
informationsutmatningsanordningar;
kommunikationsmedel och telekommunikation.
Användarens dialogverktyg inkluderar:
videomonitor (videoterminal, display ) - en anordning för att visa information inmatad och utmatad från en PC;
talinmatnings- och utmatningsenheter utvecklar snabbt multimediaverktyg. Dessa är olika mikrofoner. akustiska system, "sonic möss" med sofistikerad programvara som kan känna igen, identifiera och koda mänskliga talade bokstäver och ord; ljudsynthesizers som omvandlar digitala koder till bokstäver och ord som spelas upp via högtalare (högtalare) eller högtalare anslutna till en dator.
Inmatningsenheter inkluderar:
tangentbord - anordning för manuell inmatning av numerisk, text- och kontrollinformation till en PC;
grafiska surfplattor(digitalisatorer) - enheter för manuell inmatning av grafisk information, bilder genom att flytta en speciell pekare (penna) över surfplattan; när pennan flyttas läses koordinaterna för dess plats automatiskt och dessa koordinater skrivs in i datorn;
skannrar (läsmaskiner) - utrustning för automatisk läsning från pappers- och filmmedia och inmatning av maskinskrivna texter, grafer, ritningar, ritningar i en PC;
målanordningar (grafiska manipulatorer) utformade för att mata in grafisk information på skärmen genom att styra markörens rörelse på skärmen, följt av att koda markörens koordinater och mata in dem i datorn (joystick - spak, mus, styrkula - kula i en ram, ljuspenna, etc.) etc.);
pekskärmar- för inmatning enskilda element bilder, program eller kommandon från skärmen på datorn.
Informationsutmatningsenheter inkluderar:
skrivare - skrivare för inspelning av information på papper eller filmmedier;
plottrar (plotter) - enheter för utmatning av grafisk information (grafer, ritningar, ritningar) från en PC till papper.
Kommunikations- och telekommunikationsenheter används för att kommunicera med enheter och annan automationsutrustning (gränssnittsmatchare, adaptrar, digital-till-analog och analog-till-digital-omvandlare etc.) och för att ansluta en PC till kommunikationskanaler, till andra datorer och datorer nätverk (nätverksgränssnittskort och kort - nätverksadaptrar, "korsningar", multiplexorer för dataöverföring, modem - modulatorer / demodulatorer).
I synnerhet visas i fig. 4.1 nätverksadapter hänvisar till det externa gränssnittet på en PC och används för att ansluta den till en kommunikationskanal för att utbyta information med andra datorer när man arbetar som en del av datornätverk. Som nätverksadapter mest använda modemet.
Många av de ovan nämnda enheterna tillhör den konventionellt allokerade gruppen av multimediaverktyg.
Multimedia (multimedia, multi-miljö) är ett komplex av hårdvara och mjukvaruverktyg, vilket gör att en person kan kommunicera med en dator med hjälp av en mängd olika naturliga medier: ljud, video, grafik, texter, animationer, etc. Multimedia inkluderar talinmatningsenheter och talutgångsenheter; mikrofoner och videokameror, akustiska och videoåtergivningssystem med förstärkare, högtalare, stora videoskärmar; ljud- och videoadaptrar, videoinspelningskort som fångar en bild från en videobandspelare eller videokamera och för in den i en PC; redan utbredda skannrar som gör att du automatiskt kan skriva in tryckta texter och ritningar i en dator; slutligen externa masslagringsenheter på optiska diskar, som ofta används för att spela in ljud- och videoinformation.
Betrakta enheten på en dator med exemplet på det vanligaste datorsystemet - en persondator. En persondator (PC) kallas en relativt billig universell mikrodator för en användare. Persondatorer är vanligtvis designade utifrån principen om öppen arkitektur.
Principen för öppen arkitektur är följande:
· Endast beskrivningen av en dators funktionsprincip och dess konfiguration (en viss uppsättning hårdvara och anslutningar mellan dem) är reglerade och standardiserade. Datorn kan alltså sättas ihop av individuella komponenter och delar designade och tillverkade av oberoende tillverkare.
· Datorn kan enkelt utökas och uppgraderas med interna expansionsplatser, där användaren kan sätta in en mängd olika enheter som uppfyller den specificerade standarden och därigenom konfigurera sin maskin enligt sina personliga preferenser.
Ett förenklat blockschema som visar de huvudsakliga funktionella komponenterna i ett datorsystem i deras förhållande (Figur 8.6).
Figur 9.6 - Allmän struktur för en persondator med ansluten kringutrustning
Figur 9.7 - Blockschema över en persondator
Låt oss analysera det funktionella syftet med huvudkomponenterna.
Mikroprocessor (MP). Detta är PC:ns centralenhet, designad för att styra driften av alla enheter i maskinen och för att utföra aritmetiska och logiska operationer på information.
Mikroprocessorn inkluderar:
· kontrollenhet(CU) - genererar och levererar vissa styrsignaler (kontrollpulser) till alla block i maskinen vid rätt tidpunkt; styranordningen tar emot referenspulssekvensen från klockpulsgeneratorn;
· aritmetisk logisk enhet(ALU) - utformad för att utföra alla aritmetiska och logiska operationer på numerisk och symbolisk information (i vissa PC-modeller är ytterligare en matematisk samprocessor ansluten till ALU för att påskynda exekveringen av operationer);
· mikroprocessorminne(MPP) - fungerar som en dag för korttidslagring, inspelning och utfärdande av information som direkt används i beräkningar i maskinens nästa cykler. (MPP är byggd på register och används för att säkerställa hög hastighet på maskinen, eftersom huvudminnet (OP) inte alltid ger den hastighet att skriva, söka och läsa information som krävs för effektiv drift av en höghastighetsmikroprocessor. )
mikroprocessorgränssnittssystem- implementerar ihopparning och kommunikation med andra PC-enheter; inkluderar ett internt MP-gränssnitt, buffertlagringsregister och styrkretsar för input-output-portar (IOP) och systembussen. Gränssnitt- detta är ett sätt att koppla ihop två enheter, där alla fysiska och logiska parametrar är förenliga med varandra. Om gränssnittet är allmänt accepterat, till exempel godkänt på nivå med internationella avtal, så kallas det standard.
Klockgenerator . Genererar en sekvens av elektriska impulser; frekvensen för de genererade pulserna bestämmer maskinens klockfrekvens, vilket är en av huvudegenskaperna hos en persondator, och bestämmer till stor del hastigheten på dess drift, eftersom varje operation i maskinen utförs i ett visst antal cykler:
Systembuss . Detta är huvudgränssnittssystemet för en dator som tillhandahåller ihopparning och kommunikation av alla dess enheter med varandra. Systembussen inkluderar:
1. koddatabuss (KShD);
2. adresskodbuss (KShA);
3. instruktionskodbuss (KSI);
4. kraftskena
Systembussen tillhandahåller tre riktningar för informationsöverföring:
Mellan mikroprocessorn och huvudminnet;
mellan mikroprocessorn och in-utgångsportarna på externa enheter;
· mellan huvudminnet och I/O-portarna på externa enheter (i direkt minnesåtkomstläge).
huvudminne (OP). Den är utformad för att lagra och snabbt utbyta information med andra enheter i maskinen. OP innehåller två typer av lagringsenheter: läsminne (ROM) och random access memory (RAM).
ROM tjänar till att lagra ett oföränderligt (permanent) program och referensformat, låter dig snabbt bara läsa informationen som lagras i den (det är omöjligt att ändra informationen i ROM).
Baggeär avsedd för operationell inspelning, lagring och läsning av information (program och data) som är direkt involverad i informationsberäkningsprocessen som utförs av en PC under den aktuella tidsperioden.
Externt minne . Det hänvisar till externa PC-enheter och används för långtidslagring av all information. Framför allt lagras all datorprogramvara i externt minne. Externt minne innehåller olika typer av lagringsenheter, de vanligaste är hårddiskar (HDD) och floppy disk drives (FPHD).
Syftet med dessa enheter är att lagra stora mängder information
Energikälla . Detta är ett block som innehåller autonoma och nätströmförsörjningssystem för en PC.
Timer . Detta är en elektronisk klocka i maskinen som vid behov ger automatisk borttagning av det aktuella tidsögonblicket (år, månad, timmar, minuter, sekunder och bråkdelar av sekunder). Timern är ansluten till en autonom strömkälla - batteriet och fortsätter att fungera när maskinen är bortkopplad från elnätet.
Externa enheter (VU). Av syfte kan följande typer av fordonsenheter särskiljas:
externa lagringsenheter (VZU) eller externt minne på en PC;
användarens interaktiva verktyg;
inmatningsapparater;
informationsutmatningsanordningar;
kommunikationsmedel och telekommunikation.
Interaktiva användarverktyg inkluderar videomonitorer (skärmar), mer sällan konsolskrivmaskiner (skrivare med tangentbord) och enheter för talinmatning-utmatning av information.
Inmatningsenheter inkluderar:
· tangentbord
Grafiska surfplattor (digitalisatorer) - för manuell inmatning av grafisk information, bilder genom att flytta en speciell pekare (penna) över surfplattan; när pennan flyttas läses koordinaterna för dess plats automatiskt och dessa koordinater skrivs in i datorn;
skannrar;
Manipulatorer (pekdon): joystick - spak, mus, styrkula - boll i en ram, ljuspenna, etc. - för att mata in grafisk information på skärmen genom att styra markörens rörelse på skärmen, följt av kodning av koordinaterna för markören och mata in dem i datorn;
· pekskärmar - för inmatning av enskilda delar av bilden, program eller kommandon från en delad skärm i en PC.
Utdataenheter inkluderar:
skrivare
Grafplotter (plotter)
För att koordinera gränssnitt är kringutrustning ansluten till bussen inte direkt, utan genom sina kontroller (adaptrar) och portar ungefär enligt följande schema (Figur 8.8).
Figur 9.8 - Schema för anslutning av kringutrustning
Styrenheter och adaptrarär uppsättningar av elektroniska kretsar som levereras med datorenheter för att deras gränssnitt ska vara kompatibla. Styrenheter utför dessutom direkt kontroll av kringutrustning på begäran av mikroprocessorn.
Hamnar enheter är några elektroniska kretsar som innehåller ett eller flera I/O-register och som gör att du kan ansluta datortillbehör till mikroprocessorns externa bussar. Portar kallas också standardgränssnittsenheter: seriella, parallella och spelportar (eller gränssnitt).
Serieport kommunicerar med processorn byte för byte och med externa enheter - bit för bit. Parallell port tar emot och skickar data byte för byte. Serieporten är vanligtvis ansluten till långsamma eller snarare avlägsna enheter, som en mus och ett modem. Fler "snabba" enheter kopplas till parallellporten - en skrivare och en skanner. En joystick är ansluten via spelporten. Tangentbordet och bildskärmen är anslutna till sina specialiserade portar, som bara är kontakter.
Ytterligare system . Tillsammans med typiska externa enheter, några extra kort med integrerade kretsar expandera och förbättra funktionalitet mikroprocessor: matematisk coprocessor, direktminnesåtkomstkontroller, input-output coprocessor, avbrottskontroller, etc.
3. Föreläsning. Arkitektur av moderna högpresterande datorer. Funktionell struktur för en dator. Grundläggande begrepp om funktion. Datormjukvara. Grunderna i algoritmisering.
Inmatningsapparat
minnesblock
Aritmetisk logisk enhet
utgångsblock
Kontrollblock
Grundläggande driftkoncept
Bussstruktur
programvara
Stadier av förberedelser och problemlösning på en dator
Algoritmer och sätt att beskriva dem
Funktionell struktur för en dator
Som följer av fig. 3.1 består datorn av fem huvudsakliga, funktionellt oberoende delar:
Inmatningsapparat,
minnesenhet,
Aritmetisk logisk enhet,
utgångsenhet och
Kontrollenhet.
Inmatningsenheten tar emot kodad information via digitala kommunikationslinjer från operatörer, elektromekaniska enheter som tangentbord eller från andra datorer i nätverket. Den mottagna informationen lagras antingen i datorminnet för senare användning eller används omedelbart av aritmetiska och logiska kretsar för att utföra de nödvändiga operationerna. Sekvensen av bearbetningssteg bestäms av programmet som är lagrat i minnet. Resultaten som erhålls skickas tillbaka till omvärlden via en utmatningsenhet. Alla dessa åtgärder koordineras av styrenheten. På fig. 3.1. medvetet inte visat kopplingar mellan funktionella enheter. Detta förklaras av att sådana kopplingar kan implementeras på olika sätt. Hur exakt kommer du att förstå lite senare. Aritmetik och logik i kombination med huvudstyrkretsarna kallas processorn, och in- och utgångsutrustningen tillsammans kallas ofta ingångs-utgångsenheten (ingångs-utgångsenheten).
Låt oss nu vända oss till informationen som bearbetas av datorn. Det är bekvämt att dela in det i två huvudkategorier: kommandon och data. Kommandon, eller maskininstruktioner, ges uttryckligen instruktioner som:
Hantera överföringen av information inom datorn, såväl som mellan datorn och dess input-output-enheter;
Bestäm de aritmetiska och logiska operationer som ska utföras.
En lista över kommandon som utför någon uppgift kallas ett program. Program lagras vanligtvis i minnet. Processorn hämtar programinstruktioner från minnet i sin tur och implementerar de operationer som definieras av dem. Datorn styrs helt av det lagrade programmet , förutom möjligheten till externt ingripande av operatören och I/O-enheterna som är anslutna till maskinen.
Data är siffror och kodade tecken som används som instruktionsoperander. Men termen "data" används ofta för att hänvisa till all digital information. Enligt denna definition kan själva programmet (det vill säga listan med kommandon) också betraktas som data om det bearbetas av ett annat program. Ett exempel på ett program som bearbetas av ett annat är kompileringen av ett källprogram skrivet på ett högnivåspråk till en lista med maskininstruktioner som utgör ett maskinspråksprogram som kallas ett objektprogram. Källprogrammet matas in till kompilatorn, som översätter det till ett maskinspråksprogram.
Ris. 3.1. Grundläggande funktionella enheter dator
Information som är avsedd att behandlas av en dator måste kodas i ett format som är lämpligt för datorn. Modern hårdvara är till största delen baserad på digitala kretsar, som endast har två stabila tillstånd, PÅ och AV (se föreläsning 2). Som ett resultat av kodning omvandlas vilket tal, tecken eller kommando som helst till en sträng av binära siffror som kallas bitar, som var och en har ett av två möjliga värden: 0 eller 1. För att representera tal (som kommer att bli tydligt i kapitel 4), positionell binär notation används vanligtvis. Ibland används ett binärt kodat decimalformat (Binary-Coded Decimal, BCD), i enlighet med vilket varje decimalsiffra kodas separat med fyra bitar.
Bokstäver och siffror representeras också med binära koder. Flera olika kodningsscheman har utvecklats för dem. ASCII-system (American Standard Code for Information Interchange) anses vara de vanligaste. standardkod för informationsutbyte), där varje tecken representeras av en 7-bitars kod, och EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code - utökad binärkodad decimalkod för informationsutbyte), som använder 8 bitar för att koda ett tecken.
3.1.1. Inmatningsapparat
Datorn tar emot kodad information via en inmatningsenhet vars uppgift är att läsa data. Den vanligaste inmatningsenheten är tangentbordet. När användaren trycker på en tangent konverteras motsvarande bokstav eller siffra automatiskt till en specifik binär kod och skickas via kabeln till antingen minnet eller processorn.
Det finns ett antal andra inmatningsenheter, inklusive joysticks, styrkula och möss. De används tillsammans med displayen som grafiska inmatningsenheter. Mikrofoner kan användas för ljudingång. Ljudvibrationerna de uppfattar mäts och omvandlas till digitala koder för lagring och bearbetning.
3.1.2. minnesblock
Syftet med minnesblocket är att lagra program och data. Det finns två klasser av lagringsenheter, nämligen primära och sekundära. Primär lagring är ett minne vars prestanda bestäms av arbetshastigheten elektroniska kretsar. Medan programmet körs måste det förvaras i primärminnet. Detta minne består av ett stort antal halvledarceller, som var och en kan lagra en bit information. Celler läses sällan individuellt – de bearbetas vanligtvis i grupper av fast storlek som kallas ord. Minnet är organiserat på ett sådant sätt att innehållet i ett ord som innehåller n bitar kan skrivas eller läsas i en grundläggande operation.
För att underlätta åtkomst till ord i minnet är en separat adress kopplad till varje ord. Adresser är siffror som identifierar specifika platser för ord i minnet. För att kunna läsa ett ord från minnet eller skriva det till det måste du ange dess adress och ange ett kontrollkommando som startar motsvarande operation.
Antalet bitar i varje ord kallas ofta för längden på ett maskinord. Vanligtvis är ett ord mellan 16 och 64 bitar långt. En av faktorerna som kännetecknar en dators klass är kapaciteten på dess minne. Små maskiner kan vanligtvis bara lagra några tiotals miljoner ord, medan medelstora och stora maskiner vanligtvis kan lagra hundratals miljoner och miljarder ord. Typiska enheter för att mäta mängden data som behandlas av en maskin är ett ord, flera ord eller en del av ett ord. Som regel läses eller skrivs endast ett ord under en minnesåtkomst.
Under körning måste programmet finnas i minnet. Instruktioner och data måste skrivas till och läsas från minnet under kontroll av processorn. Extremt viktigt är möjligheten till extremt snabb åtkomst till vilket minnesord som helst. Minne som kan nås när som helst på kort och fast tid kallas Random-Access Memory (RAM). Tiden det tar att komma åt ett ord kallas minnesåtkomsttiden. Den här tiden är alltid densamma, oavsett var det önskade ordet finns. Minnesåtkomsttid i modern RAM-enheter sträcker sig från några nanosekunder till 100. Datorminne är vanligtvis en hierarkisk struktur som består av tre eller fyra nivåer av halvledar-RAM-element med olika hastigheter och olika storlekar. Den snabbaste typen av RAM är cache (eller helt enkelt cache). Den är direkt ansluten till processorn och är ofta placerad på samma integrerade chip som den, på grund av vilket processorns arbete accelereras avsevärt. Större minne, men mindre snabbt, kallas huvudminne. Senare i denna föreläsning beskrivs processen för att komma åt information i minnet mer i detalj, och senare kommer vi att överväga i detalj principerna för dess funktion och frågor relaterade till prestanda.
Primära lagringsenheter är extremt viktiga komponenter för en dator, men de är ganska dyra. Därför är datorer utrustade med ytterligare, billigare sekundära lagringsenheter som används för att lagra stora mängder data och ett stort antal program. För närvarande finns det många sådana enheter. Men den mest utbredda magnetiska skivor, magnetband och optiska skivor (CD-ROM).
3.1.3. Aritmetisk logisk enhet
De flesta datoroperationer utförs i den aritmetiska logiska enheten (ALU) hos processorn. Låt oss överväga ett typiskt exempel. Anta att vi behöver lägga till två tal i minnet. Dessa nummer skickas till processorn, där ALU utför sin addition. Den resulterande mängden kan skrivas till minnet eller lämnas i processorn för omedelbar användning.
Alla andra aritmetiska eller logiska operationer, inklusive multiplikation, division och jämförelse av tal, börjar med att sända dessa tal till processorn, där ALU måste utföra lämplig operation. När operander överförs till processorn lagras de i höghastighetsminneselement som kallas register. Varje register kan lagra ett dataord. Åtkomsttiden till processorregister är till och med kortare än åtkomsttiden till det snabbaste cacheminnet.
Kontroll- och aritmetik-logiska enheter fungerar många gånger snabbare än alla andra enheter som är anslutna till datorsystem. Detta gör att en enda processor kan styra många externa enheter som tangentbord, bildskärmar, magnetiska och optiska skivor, sensorer och mekaniska kontroller.
3.1.4. utgångsblock
Utgångsblockets funktion är den motsatta till ingångsblockets: det riktar resultatet av bearbetningen till den så kallade omvärlden. Ett typiskt exempel på en utenhet är en skrivare. Skrivare använder slagmekanismer, bläckstrålehuvuden eller fotokopieringstekniker som laserskrivare för att skriva ut. Det finns skrivare som kan skriva ut upp till 10 000 rader per minut. För en mekanisk enhet är detta en enorm hastighet, men jämfört med processorns hastighet är den försumbar.
Vissa enheter, och i synnerhet grafiska displayer, utför både en utgångsfunktion och en ingångsfunktion. Därför kallas de input-output-enheter.
3.1.5. Kontrollblock
Minne, aritmetik och logik, inmatnings- och utmatningsenheter lagrar och bearbetar information och utför in- och utmatningsoperationer. Driften av sådana enheter måste på något sätt samordnas. Det är precis vad styrenheten gör. Detta är så att säga nervcentrum i en dator som sänder kontrollsignaler till andra enheter och övervakar deras status.
I/O-operationer styrs av programkommandon som identifierar motsvarande I/O-enheter och data som överförs. De faktiska tidssignalerna som styr överföringen genereras emellertid av styrkretsar. Timingsignaler är signaler som bestämmer när en given åtgärd ska utföras. Dessutom, med hjälp av klocksignaler som genereras av styrenheten, överförs data mellan processorn och minnet. Styrenheten kan ses som en separat enhet som samverkar med andra delar av maskinen. Men i praktiken händer detta sällan. De flesta styrkretsarna är fysiskt fördelade på olika ställen på datorn. Signalerna som används för att synkronisera händelser och åtgärder för alla enheter sänds över ett flertal kontrolllinjer (ledningar). I allmänhet kan en dators funktion beskrivas på följande sätt:
Datorn, med hjälp av inmatningsenheten, tar emot information i form av program och data och skriver den till minnet.
Informationen lagrad i minnet under programmets kontroll skickas till den aritmetiska logikenheten för vidare bearbetning.
Data som erhålls som ett resultat av informationsbehandling skickas till utenheter.
Styrenheten ansvarar för alla åtgärder som utförs inuti maskinen.
Som diskuteras i avsnitt 3.1 styrs en dators handlingar av instruktioner. För att utföra en specifik uppgift skrivs ett motsvarande program till minnet, bestående av en uppsättning kommandon. Instruktioner skickas i tur och ordning från minnet till processorn, som exekverar dem. Data som används som instruktionsoperander lagras också i minnet. Här är ett exempel på ett typiskt kommando:
Denna instruktion lägger till operanden som är lagrad i minnet vid adress LOCA med operanden lagrad i registret RO på processorn och placerar resultatet i samma register. Det ursprungliga innehållet i minnet vid LOCA ändras inte, och innehållet i registret R0 skrivs över. Detta kommando utförs i flera steg. Först överförs den från minnet till processorn. Instruktionsoperanden läses sedan från minnet vid adress LOCA och adderas till innehållet i registret RO, varefter den resulterande summan skrivs till registret RO.
Det beskrivna kommandot Lägg till kombinerar två operationer: en minnesåtkomst och en ALU-operation. I många moderna datorer utförs dessa två typer av operationer med hjälp av separata kommandon. Denna uppdelning är baserad på prestationsöverväganden, som vi kommer att diskutera nedan. Ovanstående kommando kan också implementeras som två kommandon:
1) Ladda R3,LOCA för Intel Architecture (IA-32): mov bx,loca
Lägg till R0,R3 lägg till ax,bx
Den första av dessa instruktioner kopierar innehållet i minnet vid LOCA-adressen till processorregistret R1, och den andra instruktionen adderar innehållet i registren R1 och RO och placerar summan i registret RO. Observera att som ett resultat av att utföra två instruktioner förstörs det ursprungliga innehållet i båda registren och innehållet i minnet på LOCA-adressen bevaras.
Överföring av data mellan minnet och processorn börjar med att sända adressen för ordet som ska nås till minnesanordningen och utfärda lämpliga styrsignaler. Data överförs sedan till eller från minnet.
På fig. Figur 3.2 visar hur minnet och processorn är anslutna. Dessutom illustrerar figuren flera viktiga funktioner hos processorn, som vi ännu inte har diskuterat. Det visar inte det faktiska kopplingsschemat för dessa komponenter, för för närvarande diskuterar vi bara deras funktionella egenskaper. Anslutningen av komponenterna beskrivs mer i detalj i avsnitt 8 när man överväger processorns utformning.
Förutom ALU och styrkretsar innehåller processorn många register utformade för olika ändamål. Instruktionsregistret (IR) innehåller koden för den instruktion som för närvarande exekveras. Dess resultat är tillgängligt för styrkretsar som genererar signaler för att styra de olika elementen som är involverade i utförandet av kommandot. Ett annat specialiserat register, kallat Program Counter (PC), används för att kontrollera programmets framsteg. Den innehåller adressen till nästa instruktion som ska hämtas och köras. Medan nästa instruktion exekveras uppdateras innehållet i PC-registret - adressen för nästa instruktion skrivs till det. PC-registret sägs peka på instruktionen som ska hämtas från minnet. Förutom IR- och PC-registren i fig. 3.2 visar n allmänna register, från R0 till R„-i. Vad de är till för förklaras i kapitel 2.
Slutligen ger ytterligare två register interaktion med minnet. Dessa är adressregistret (Memory Address Register, MAR) och dataregistret (Memory Data Register, MDR). MAR-registret innehåller adressen vid vilken minnet nås, och MDR-registret innehåller data som måste skrivas till eller läsas från minnet på denna adress.
Tänk på en typisk process för att köra ett program av en dator. Programmet finns i minnet, där det vanligtvis tar sig igenom inmatningsenheten. Dess exekvering börjar med att skriva in adressen för den första instruktionen i PC-registret. Innehållet i detta register överförs till MAR-registret och lässtyrsignalen skickas till minnet. När tiden som krävs för att komma åt minnet löper ut läses det adresserade ordet (i detta fall den första instruktionen av programmet) från minnet och laddas in i MDR-registret. Innehållet i MDR-registret överförs sedan till IR-registret. Kommandot är redo att avkodas och köras.
Om en instruktion kräver att ALU utför en viss operation måste den erhålla operander för den. En operand som finns i minnet (den kan också vara i ett allmänt register) måste först extraheras från den genom att överföra dess adress till MAR-registret och initiera lässlingan. Efter att ha överförts från minnet till MDR-registret kommer operanden att skickas till ALU. På liknande sätt kommer resten av operanderna som är nödvändiga för kommandot att överföras dit, varefter ALU kommer att kunna utföra den nödvändiga operationen. Om resultatet behöver lagras i minnet kommer det att skrivas till MDR-registret. Därefter kommer adressen till vilken den behöver skrivas till minnet att placeras i MAR-registret, varefter skrivslingan initieras. Vid någon tidpunkt under exekveringen av den aktuella instruktionen inkrementeras PC-registret för att peka på nästa instruktion som ska exekveras. Med andra ord, så snart exekveringen av den aktuella instruktionen är klar, kommer det att vara möjligt att börja hämta nästa.
Ris. 3.2. Anslutningar mellan processor och minne
Datorn skickar inte bara data mellan minnet och processorn, utan tar även emot det från indataenheter och skickar det även till utenheter. Därför, bland maskininstruktionerna, finns det också instruktioner för att utföra I/O-operationer.
Om det blir nödvändigt att omedelbart serva en enhet (till exempel när en övervakningsenhet i en automatiserad industriell process upptäcker en farlig situation), kan den normala exekveringen av programmet avbrytas. För att omedelbart reagera på denna situation måste datorn avbryta körningen av det aktuella programmet. För detta ändamål genererar enheten en avbrottssignal. Ett avbrott är en begäran från en I/O-enhet att förse den med CPU-tid. För att serva denna anordning exekverar processorn lämplig avbrottshanterare. Och eftersom dess utförande kan ändra det interna tillståndet för processorn, innan du servar avbrottet, måste du spara dess tillstånd i minnet. Vanligtvis sparar denna operation innehållet i PC-registret, allmänna register och viss kontrollinformation. När avbrottshanteraren avslutas, återställs processortillståndet och det avbrutna programmet fortsätter. Processorn med alla dess element (fig. 3.2) är vanligtvis implementerad som en enda mikrokrets, på vilken minst en cacheminnesenhet är placerad. Sådana chips kallas VLSI (VLSI är en förkortning för Very Large Scale Integration, vilket översätts som mycket storskalig integration).