Функциональное устройство компьютера
Потребность в автоматизации вычислений привела к созданию вначале простейших механических устройств, выполняющих арифметические действия, которые с развитием техники и появлением новых знаний совершенствовались и усложнялись.
С технической точки зрения любой компьютер представляет собой систему устройств и блоков разного принципа действия: механических, электронных, магнитных, оптических и пр. Каждый элемент этой системы выполняет свою операцию по вводу, преобразованию, обработке, хранению и выводу информации. Совокупность всех технических средств, составляющих компьютер, называют аппаратным обеспечением (англ. hardware - аппаратные средства).
Само по себе аппаратное обеспечение ещё не является компьютером. Чтобы "железо" ожило и стало выполнять назначенные действия, необходимо программное обеспечение - совокупность программ, которые подсказывают компьютеру, что и в какой последовательности делать (англ. software - программные средства). Благодаря разнообразному программному обеспечению компьютер стал универсальным инструментом, применяемым в различных областях человеческой деятельности.
Разумеется, нельзя утверждать, что только от программ зависят возможности компьютера. Если в программе записана команда "звук", а компьютер не имеет звуковоспроизводящей аппаратуры, то звука никто не услышит. И аппаратура, и программы необходимы для полноценного функционирования компьютера. Можно сказать, что аппаратное обеспечение - это тело, а программное - это душа компьютера.
Компьютер - это универсальная электронная машина, которая состоит из согласованно работающих аппаратных и программных средств для автоматической обработки информации.
В соответствии с принципами фон-неймановской архитектуры компьютер должен иметь устройства для обработки информации (арифметической и логической), хранения, ввода и вывода, а также устройство для управления всей работой компьютера. Каким же образом в персональном компьютере реализуется этот принцип? Устройством, обрабатывающим информацию, является центральный процессор (ЦП). Он также обеспечивает согласование действий всей аппаратуры, входящей в состав компьютера. Располагается процессор в системном блоке. Там же расположены запоминающие устройства (память), предназначенные для хранения информации. Устройства ввода и вывода информации расположены вне системного блока. Они играют посредническую роль, обеспечивая взаимодействие человека и компьютера. Для ПК неотъемлемыми устройствами ввода являются клавиатура и мышь, за вывод отвечает монитор, отображающий на своем экране выводимую информацию.
Компьютер работает под управлением программы. Программа представляет собой последовательность команд, которые "понимает" процессор. Процессор считывает очередную команду, анализирует и выполняет. Считывание входных данных с устройств ввода и отправка результатов их обработки на устройства вывода выполняются под управлением процессора.
Для хранения выполняемой команды и обрабатываемых данных в процессоре имеются специальные ячейки, так называемые регистры. Но в нём не предусмотрено место для хранения всей программы. Для этой важной цели служит внутренняя (основная) память компьютера. Наиболее существенную часть этой памяти составляет оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Именно в нем хранится выполняемая программа и данные, с которыми она работает. Но информация в ОЗУ хранится лишь до отключения компьютера от электропитания. Для долговременного хранения информации предназначена другая - внешняя память, в которой информация при выключении компьютера не стирается. Из внешней памяти выбирается и загружается в ОЗУ для выполнения программа, указанная пользователем. Носителями внешней памяти компьютера являются, например, магнитные и оптические диски.
Все дополнительное оборудование, предназначенное для ввода, вывода, передачи, долговременного хранения информации, называют периферийными устройствами. Набор периферийных устройств современного ПК широк и разнообразен.
Архитектура компьютера
Под архитектурой компьютера понимается его принципы работы, логическая организация, структура, ресурсы, т. е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени. Архитектура современных ПК основана на магистрально-модульном принципе.
Модульный принцип позволяет потребителю самому подобрать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости его модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информации. Магистраль или системная шина - это набор электронных линий, связывающих воедино по адресации памяти, передачи данных и служебных сигналов процессор, память и периферийные устройства.
Обмен информацией между отдельными устройствами ЭВМ производится по трем многоразрядным шинам, соединяющим все модули: шине данных, шине адресов и шине управления.
Подключение отдельных модулей компьютера к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, а на программном обеспечивается драйверами. Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответствующее устройство смогло принять этот сигнал и отреагировать на него. За реакцию устройства процессор не отвечает - что функция контроллера. Поэтому внешние устройства ЭВМ заменяемы, и набор таких модулей произволен.
Разрядность шины данных задается разрядностью процессора, т. е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт.
Данные по шине данных могут передаваться как от процессора к какому-либо устройству, так и в обратную сторону, т.е. шина данных является двунаправленной. К основным режимам работы процессора с использованием шины передачи данных можно отнести следующие: запись/чтение данных из оперативной памяти и из внешних запоминающих устройств, чтение данных с устройств ввода, пересылка данных на устройства вывода.
Выбор абонента по обмену данными производит процессор, который формирует код адреса данного устройства, а для ОЗУ - код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине, причем сигналы передаются в одном направлении, от процессора к устройствам, т.е. эта шина является однонаправленной.
По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией, и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией.
Внешние устройства к шинам подключаются посредством интерфейса. Под интерфейсом понимают совокупность различных характеристик какого-либо периферийного устройства ПК, определяющих организацию обмена информацией между ним и центральным процессором. В случае несовместимости интерфейсов (например, интерфейс системной шины и интерфейс винчестера) используют контроллеры.
Чтобы устройства, входящие в состав компьютера, могли взаимодействовать с центральным процессором, в IBM-совместимых компьютерах предусмотрена система прерываний (Interrupts). Система прерываний позволяет компьютеру приостановить текущее действие и переключиться на другие в ответ на поступивший запрос, например, на нажатие клавиши на клавиатуре. Ведь с одной стороны, желательно, чтобы компьютер был занят возложенной на него работой, а с другой - необходима его мгновенная реакция на любой требующий внимания запрос. Прерывания обеспечивают немедленную реакцию системы.
Архитектура компьютера строится согласно принципам фон Неймана.
1. Компьютер состоит из процессора, памяти и внешних устройств.
2. Единственным источником активности (не считая стартового и аварийного вмешательства человека-оператора) в ЭВМ является процессор, который в свою очередь управляется программой, находящейся в памяти компьютера.
3. Память состоит из ячеек, имеющих каждая свой адрес. Каждая ячейка хранит команду программы или некоторую единицу обрабатываемой информации, причем и команда и информация выглядят одинаково (машинное слово).
4. В любой момент процессор выполняет одну команду программы, адрес которой находится в специальном регистре процессора - счетчике команд.
5. Обработка информации происходит только в регистрах процессора. Информацию в процессор можно ввести из любой ячейки памяти или внешнего устройства и, наоборот, можно направить из процессора в любую ячейку или на внешнее устройство.
6. В каждой команде программы зашифрованы следующие предписания:
а) из каких ячеек памяти взять обрабатываемую информацию;
б) какие совершить операции с взятой информацией;
в) в какие ячейки памяти направить полученную информацию;
г) как изменить содержимое счетчика команд, чтобы знать, откуда взять для выполнения следующую команду.
7. Процессор исполняет программу команда за командой в соответствии с изменением содержимого счетчика команд в памяти, пока не получит команду остановиться.
В настоящее время активно используется принцип открытой архитектуры компьютера, который был заложен при разработке ПЭВМ IBM PC. В IBM PC была заложена возможность усовершенствования отдельных частей компьютера и использования новых устройств. Фирма IBM обеспечила возможность сборки компьютера из независимо изготовленных частей. Этот принцип, при котором методы сопряжения различных устройств с IBM PC был стандартизован, известен и доступен всем желающим, был назван принципом открытой архитектуры.
Реализация этого принципа такова. На основной электронной плате компьютера (системной, или материнской) размещены только те блоки, которые осуществляют обработку информации. Схемы, управляющие всеми другими устройствами компьютера - монитором, дисками и т.д., реализованы на отдельных платах, которые вставляются в стандартные разъемы на системной плате.
При таком подходе фирмы IBM к разработке компьютеров другие фирмы получили возможность разрабатывать различные дополнительные устройства, а пользователи - самостоятельно модернизировать и расширять возможности компьютеров по своему усмотрению. Сейчас многие фирмы производят IBM-совместимые компьютеры и комплектующие к ним.
Состав компьютера
Обычно персональный компьютер состоит из трех частей: системный блок, клавиатура (для организации ввода информации в компьютер), монитор (для отображения текстовой и графической информации).
В системном блоке располагаются электронные схемы (микропроцессор, ОП, контроллеры устройств), блок питания (преобразует напряжение сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электрические схемы), НГМД (дисководы), НЖМД (винчестер). К системному блоку можно подключать дополнительные устройства ввода-вывода через специальные гнезда (разъемы) на задней стенке компьютера: принтер, мышь, сканер, графопостроитель, модем, факс- модем, звуковые колонки и т.д.
Микропроцессор производит все вычисления и обработку информацию. Контроллеры и шина осуществляют обмен информацией между ОП и внешними устройствами (ВУ). Для каждого ВУ в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером, или адаптером. Все контроллеры взаимодействуют с МП и ОП через системную магистраль по передаче данных, называемую шиной.
Блока питания со встроенным вентилятором для охлаждения устройств внутри системного блока. Его легко определить по заметным размерам. В зависимости от типа компьютера мощность блока питания бывает разной. Энергия расходуется компьютером постоянно и порой совершенно бесполезно, когда компьютер включен, но не используется. Поэтому и появились экономичные модели настольных компьютеров. Проработав некоторое время вхолостую, они впадают "в спячку" - выключается монитор, отключаются и "засыпают" другие энергоемкие устройства. Потребление электроэнергии при этом снижается в несколько раз. Но стоит вам коснуться клавиатуры или мышки, компьютер оживет. Такие компьютеры называют "экономически чистыми", или green - "зелеными".
Микросхемы центрального процессора и оперативной памяти расположены на самой большой электронной плате, которую называют системной или материнской платой (motherboard). Современный центральный процессор представляет собой сверхбольшую интегральную схему (СБИС), размещенную на кремниевом кристалле и выполненную в виде микросхемы или чипа (англ. chip - чип), Называется он микропроцессором. А термин "сверхбольшая" относится не к размерам микросхемы, а к количеству заключенных в ней электронных элементов (до нескольких миллионов). В компьютерную систему могут входить и другие процессоры, отвечающие за обработку информации на своих участках, например, математический сопроцессор, ускоряющий некоторые виды математических операций.
Внутренняя память состоит из трех частей: оперативной (ОЗУ), постоянной (ПЗУ) и кэш-памяти. В отличие от оперативной и кэш-памяти, которые хранят данные, пока есть электропитание, ПЗУ является энергонезависимой и используется для хранения неизменяемой информации. В ней записаны программы, с помощью которых происходит тестирование устройств и загрузка операционной системы. Большая часть этих программ связана с обслуживанием процессов ввода-вывода, и содержимое ПЗУ часто называют BIOS (Basic Input/Output System, или базовая система ввода/вывода). Объем ПЗУ значительно меньше, чем ОЗУ, не превышает несколько сотен Кбайт. Раньше содержимое ПЗУ раз и навсегда формировалось на заводе, теперь современные технологии позволяют обновлять его, даже не извлекая из компьютерной платы.
Микросхемы оперативной памяти монтируются на маленькой плате, снабженной контактами, с помощью которых она вставляется в специальный разъем (слот) на материнской плате. Для расширения возможностей компьютера материнская плата снабжается несколькими такими разъёмами. Кэш-память служит для ускорения работы компьютера (подробнее о ней будет сказано чуть позже). Существует два вида кэш-памяти: внутренняя, размещаемая внутри процессора, и внешняя, устанавливаемая на системной плате.
Для согласованной работы устройств вывода (монитора, звуковых колонок и других) необходимы средства сопряжения этих устройств с компьютером: контроллеры (адаптеры), управляющие работой устройства, специальные слоты на материнской плате для установки контроллера и кабели для соединения устройства с контроллером. Все эти средства сопряжения предназначены для стандартизации обмена информацией аппаратуры ПК и называются интерфейсом (по-английски inter - между, face - лицо). Различают аппаратный и программный интерфейс. Для подключения нового периферийного устройства к компьютеру необходимо иметь соответствующий контроллер и подходящую программу-драйвер.
Скорее всего, один или два слота расширения на системной плате будут заняты постоянно - в них "воткнуты" видеоадаптер (от него идет кабель к монитору) и звуковая карта (провода от нее идут к колонкам и микрофону).
Внешние по отношению к системному блоку устройства (клавиатура, мышь, принтер и другие) подключаются через порты - разъемы, расположенные на задней панели системного блока.
Некоторые из устройств внешней памяти, хотя и размещаются внутри системного блока, оформлены в виде самостоятельных узлов. Широкие и плоские кабели идут от материнской платы к дисководу для 3,5-дюймовых дискет, к жесткому диску, к приводу лазерных компакт-дисков.