Принцип работы и структура персонального компьютера
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ
Состав и назначение основных элементов персонального компьютера
Архитектура классической ЭВМ
Основы построения электронных вычислительных машин в их современном понимании были заложены в 30-е – 40-е годы прошлого века видными учеными: английским математиком Аланом Тьюрингом и американцем венгерского происхождения Джоном (Яношем) Нейманом.
Машина Тьюринга не стала реально действующим устройством, однако до настоящего времени постоянно используется в качестве основной модели для выяснения сущности таких понятий, как «вычислительный процесс», «алгоритм», а также для выяснения связи между алгоритмом и вычислительными машинами.
В 1946 году Джоном Нейманом на летней сессии Пенсильванского университета был распространен отчет, заложивший основы развития вычислительной техники на несколько десятилетий вперед. Последующий опыт разработки ЭВМ показал правильность основных выводов Неймана, которые в последующие годы развивались и уточнялись. Основные рекомендации, предложенные Нейманом для разработчиков ЭВМ, следующие:
1. Машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления.
2. Программа должна размещаться в одном из блоков машины – в запоминающем устройстве (ЗУ), обладающем достаточной емкостью и соответствующими скоростями выборки и записи команд программы.
3. Программа так же, как и числа, с которыми оперирует машина, представляется в двоичном коде. Таким образом, по форме представления команды и числа однотипны. Это обстоятельство приводит к следующим важным последствиям:
- промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа могут размещаться в том же ЗУ, что и программа;
- числовая форма записи программы позволяет машине производить операции над величинами, которыми закодированы команды программы.
4. Арифметические устройства машины конструируются на основе схем, выполняющих операцию сложения. Создание специальных устройств для вычисления других операций нецелесообразно.
5. В машине используется параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над словами производятся одновременно по всем разрядам).
Архитектура компьютераобычно определяется совокупностью ее свойств, существенных для пользователя. Основное внимание при этом уделяется структуре и функциональным возможностям машины, которые можно разделить на основные и дополнительные.
Основные функции определяют назначение ЭВМ: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами. Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций: обеспечивают эффективные режимы ее работы, диалог с пользователем, высокую надежность и др. Названные функции ЭВМ реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных средств.
Персональный компьютер – это настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения.
Принцип работы и структура персонального компьютера
Любая форма человеческой деятельности, любой процесс функционирования технического объекта связаны с передачей и преобразованием информации. Информацией называются сведения о тех или иных явлениях природы, событиях в общественной жизни и процессах в технических устройствах. Информация, воплощенная и зафиксированная в материальной форме, называется сообщением. Сообщения могут быть непрерывными (аналоговыми) и дискретными (цифровыми). Непрерывное сообщение представляется физической величиной (электрическим напряжением, током и т.д.), изменения которой во времени отображают протекание рассматриваемого процесса.
Для дискретного сообщения характерно наличие фиксированного набора элементов, из которых в определенные моменты времени формируются различные последовательности. Компьютеры являются преобразователями информации, в них исходные данные задачи преобразуются в результат ее решения, и они относятся к классу дискретного действия – цифровому.
Главной особенностью компьютера является принцип программного управления, на основе которого достигается автоматическое управление процессом решения задачи. Другим важнейшим принципом является принцип хранимой в памяти программы, согласно которому программа, закодированная в цифровом виде, хранится в памяти наравне с числами. В команде указываются не сами участвующие в операциях числа, а адреса ячеек оперативной памяти, в которых они находятся и адрес ячейки, куда помещается результат операции.
Работу персонального компьютера (ПК) кратко можно охарактеризовать следующим образом. При включении компьютера в процессе начальной загрузки компоненты ПК тестируются специальной программой, «зашитой» в ПЗУ (BIOS). Заодно эта программа тестирует («оживляет») периферийные устройства ПК. Затем в ОЗУ ПК загружается комплекс программ (операционная система) и исходные данные для вычислений. Эта загрузка может осуществляться с клавиатуры или с одного из дисковых накопителей. Операционная система задает последовательность работы устройств ПК и порядок ввода данных, алгоритмы их обработки и порты вывода результатов. Обычно данные берутся из некоторых ячеек памяти ОЗУ, обрабатываются микропроцессором и затем пересылаются им в другие ячейки памяти. При необходимости полученные результаты через специальные порты направляются для печати на принтер.
 |
* УВВ – устройство ввода-вывода
Рис.1. Функциональная схема ПК
 |
Рис.2. Укрупненная структурная схема ПК
Структура компьютера–это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.
На рисунке 1 представлена упрощенная функциональная схема персонального компьютера, на рисунке 2 – его укрупненная структурная схема.
Микропроцессор.Это центральныйблок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией (рис.3). В состав микропроцессора входят:
- устройство управления (УУ) – формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов;
- арифметико-логическое устройство (АЛУ) – предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией. В некоторых моделях ПК к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор, использующийся для ускоренного выполнения операций над двоичными числами с плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для вычисления некоторых тригонометрических функций с высокой точностью;
- микропроцессорная память – служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. Используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.
- интерфейсная система микропроцессора – реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК.
Интерфейс (interface) – совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие.
Основные характеристики микропроцессора:
- тактовая частота, показывающая, сколько инструкций (действий) способен выполнить процессор в течение секунды;
- архитектура, в частности размер кэш-памяти (подробнее см. раздел…).
Некоторые области применения процессора, кроме персонального компьютера пользователя:
- контроллер светофора;
- интерактивные игрушки;
- автомобильная цифровая навигационная система;
- управление зажиганием и подачей топлива в автомобилях;
- принтеры;
- пульт звукорежиссера;
- локомотивы (микропроцессор контролирует электропитание двигателя);
- интерактивный сенсорный видеоэкран;
- контроль за расходованием электроэнергии;
- технологический контроль (микропроцессор контролирует условия производственного процесса - температуру, давление или расход материалов);
- рыболовная электронная наживка;
- электронный орган, гитара, синтезатор;
- гелиевый детектор;
- спортивные тренажеры;
- электронная игра «Дартс»;
- исследовательские приборы;
- контроллер швартовочных муфт морских судов и т.д.
Генератор тактовых импульсов.Он генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, так как каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.
Главная отличительная черта структуры персонального компьютера состоит в наличии системной шины, посредством которой взаимодействуют и обмениваются информацией все его устройства.
Шины ПК.Компьютер строится по магистрально-модульному принципу, при котором все блоки компьютера связываются между собой системной шиной, предназначенной для обмена данными, адресной и управляющей информацией между составными частями компьютера. Системная шина определяет общий порядок обмена между любыми блоками компьютера, а также максимальное количество используемых устройств ввода-вывода. Она включает в себя шину адреса, шину данных и шину управления. Шина адреса и шина данных необходимы для передачи с микропроцессора адреса нужных ячеек, и затем считывания с них (или записи в них) соответствующих данных. Для обеспечения взаимодействия между отдельными узлами компьютера имеется шина управления, передающая управляющие сигналы, которыми обмениваются друг с другом устройства ПК.
Кроме этого имеется шина питания, имеющая провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.
Шины ПК характеризуются двумя основными параметрами – разрядностью и скоростью передачи по ним цифровых сигналов. Особенно важна разрядность шины данных – она должна соответствовать разрядности микропроцессора.
Все внешние устройства, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо через дополнительную микросхему – контроллер шины, формирующий основные сигналы управления.
Основная память.Она предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. Основная память включает два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
ПЗУ обычно выполнено в виде микросхемы, запаянной в материнскую плату, и не подлежит замене. Информация, записанная в ПЗУ, не может быть изменена пользователем, что хорошо отражено в английском варианте ее названия Read Only Memory – память только для чтения. В этой памяти хранятся программы тестирования основных узлов компьютера, инициирования загрузки операционной системы и обслуживания операций по вводу и выводу данных. Эти программы как бы постоянно «зашиты» в ПЗУ.
ОЗУ предназначено для хранения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в вычислительном процессе на текущем этапе функционирования ПК. ОЗУ – энергозависимая память: при отключении напряжения питания информация, хранящаяся в ней, теряется (подробнее см. раздел 3).
Внешняя память.Она используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. К внешней памяти относятся разнообразные виды запоминающих устройств (запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (стримеры), накопители на оптических дисках (CD-ROM)), но наиболее распространенными, имеющимися практически на любом компьютере, являются накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках. Назначение этих накопителей – хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство (подробнее см. раздел…).
Блок питания.Это блок (рис.4), содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК. Блок питания выполняет две критические функции: он обеспечивает все компоненты системы стабилизированным напряжением и охлаждает внутренности компьютера.
Таймер.Это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания – аккумулятору и при отключении машины от сети продолжает работать.
Внешние (периферийные) устройства. Под периферийным понимают любое устройство, конструктивно отделенное от центральной части ПК (микропроцессора и основной памяти), имеющее собственное управление и выполняющее запросы микропроцессора без его непосредственного вмешательства.
По назначению можно выделить следующие внешние устройства ПК:
- устройства ввода информации;
- устройства вывода и отображения информации;
- указательные устройства (манипуляторы, устройства управления);
- устройства связи и телекоммуникации.
К устройствам ввода информации относятся:
- клавиатура – устройство для ручного ввода в ПК текстовой, цифровой и управляющей информации (подробнее см. раздел…);
- сканер – устройство для автоматического считывания с бумажных или иных носителей и вода в ПК текстов, графиков, рисунков, чертежей для их перевода в цифровой (компьютерный) вид (подробнее см. раздел…);
- 
графический планшет (дигитайзер) – устройство для ручного ввода графической (реже текстовой) информации, изображений. Графический планшет – это два устройства – сам планшет и перо. Со специального планшета, оборудованного чувствительной поверхностью, которая реагирует на испускаемые пером сигналы, передаются точные координаты «точки соприкосновения» в компьютер. Перо при контакте с планшетом испускает специальные сигналы, говорящие ему о том, каким цветом нужно нарисовать в компьютере тот или иной элемент, какой толщины должен быть штрих и т.д. Используется компьютерными художниками, дизайнерами.
- сенсорные экраны – устройства для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК;
- цифровые фотоаппараты. По внешнему виду не слишком отличаются от обычного фотоаппарата, да и выпускаются теми же фирмами, что и обычные фотокамеры. Разница состоит в том, что вместо пленки цифровой фотоаппарат использует специальный элемент памяти, который сохраняет переданную с объектива картинку в виде несжатого (TIFF) или сжатого с некоторой потерей качества файла (JPEG-компрессия). Позднее получившийся файл передается в компьютер, а затем его можно обработать в любом графическом редакторе и, если нужно, отпечатать, как обычную фотографию, на специальном принтере. К этой же группе устройств ввода информации можно отнести цифровые видеокамеры и мобильные телефоны;
- микрофоны – устройства, воспринимающие звук в аналоговом виде. Чтобы компьютер мог записывать такие сигналы на магнитные диски и обрабатывать их, сигналы должны быть преобразованы из аналоговой в цифровую форму. Это достигается с помощью специального устройства - аналого-цифрового преобразователя (АЦП);
- MIDI–клавиатура (MIDI – Musical Instrument Digital Interface) – устройство, подключающееся к звуковой карте. В отличие от синтезаторов, MIDI–клавиатура сама не в состоянии издавать звуки: она лишена всякой «начинки» для звукотворения. Эта роль отдана звуковой карте. Роль такой клавиатуры – отдавать встроенному синтезатору команды: какую ноту какой длительности и на каком инструменте компьютеру следует воспроизвести. Элементы MIDI–клавиатуры: собственно клавиатура – упрощенная копия фортепиано; средства управления инструментами, которые позволяют переключить клавиатуру в режим имитации любого из имеющихся в арсенале звуковой карты инструментов.
К устройствам вывода и отображения информации относятся:
- монитор (дисплей) – устройство отображения текстовой и графической информации без ее долговременной фиксации (подробнее см. раздел…);
- принтер – устройство вывода из компьютера данных на бумагу в удобной для чтения форме. Принтеры позволяют получить твердую копию документа. Наиболее распространенные типы принтеров: матричные принтеры (устройства ударного действия и термопринтеры), струйные принтеры с чернилами-красителями, лазерные принтеры, использующие электрографический способ формирования изображения (подробнее см. раздел…);
- графопостроители (плоттеры) – это устройства вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель. Их используют при автоматизированном проектировании;
- наушники, колонки – устройства для вывода звуковой информации.
К указательным устройствам относятся:
- мышь – устройство, предназначенное для работы в среде с графическим интерфейсом пользователя;
- трекбол – устройство, выполняющее функции, аналогичные мыши, в отличие от которой в движении находится не корпус, а только шарик;
- джойстик обеспечивает перемещение курсора на экране в одном из четырех направлений. Используется для взаимодействия с игровыми программами;
Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации и для подключения ПК к каналам связи, к другим ЭВМ и вычислительным сетям. К ним относятся:
- модем (от слов модуляция-демодуляция) – устройство, предназначенное для подключения компьютера к аналоговым линиям телефонной связи. Он позволяет через обыкновенную телефонную линию работать в сети Internet. Модем выполняет следующие функции: при передаче – преобразование цифрового кода в аналоговые сигналы, при приеме – фильтрацию принятого сигнала от помех, т.е. обратное преобразование аналогового сигнала в цифровой код;
- сетевой адаптер является внешним интерфейсом ПК и служит для подключения его к каналу связи для обмена информацией с другими ЭВМ, для работы в составе вычислительной сети для обеспечения передачи информации из ЭВМ в коммуникационную среду;
- мультиплексор передачи данных – многоканальное устройство сопряжения ЭВМ с несколькими каналами связи.
Базовая конфигурация ПК
Конструктивно ПК выполнены в виде центрального системного блока, к которому через разъемы подключаются внешние устройства: дополнительные устройства памяти, клавиатура, дисплей, принтер и др.
Системный блок обычно включает в себя системную плату, блок питания, накопители на дисках, разъемы для дополнительных устройств и платы расширения с контроллерами – адаптерами внешних устройств.
На системной плате (чаще ее называют материнской платой – Mother Board), как правило, размещаются:
- микропроцессор;
- математический сопроцессор;
- генератор тактовых импульсов;
- блоки (микросхемы) ОЗУ и ПЗУ;
- адаптеры клавиатуры, НЖМД и НГМД;
- таймер и др.
Центральный процессор
Микропроцессор(МП)(центральный процессор – Central Processing Unit (CPU)) – функционально законченное программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших или сверхбольших интегральных схем. Процессор – это «мозг» ПК. Он решает все общие вычислительные задачи и согласовывает работу памяти, видеоадаптера, дисковых накопителей и других компонентов системы. Процессор – это необычайно сложная микросхема, подключающаяся на большинстве ПК непосредственно к материнской плате, но иногда устанавливаемая и на дочерней плате, которая, в свою очередь, подключается к материнской посредством специализированного слота.
МП выполняет следующие функции:
- чтение и дешифрацию команд из основной памяти;
- чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств;
- прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств;
- обработку данных и их запись в основную память и регистры адаптеров внешних устройств;
- выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК.
Разрядность шины данных МП определяет разрядность ПК в целом; разрядность шины адреса МП – его адресное пространство.