Апаратна складова ІС. Основні складові апаратного забезпечення комп системи та їх функціональне призначення.

Комп'ютер являє собою сукупність засобів, які призна­чені для автоматизації процесів обробки та зберігання інформації. Інша назва комп'ютера — електронна обчислю­вальна машина (ЕОМ). Він здатний виконувати обчислення, опрацьову­вати тексти, розпізнавати і формувати зображення, перетво­рювати та аналізувати сигнали, керувати різноманітними об'єктами і технологічними процесами, розв'язувати логічні задачі тощо.

Технічні засоби, які входять до складу комп'ютера, нази­ваються його апаратним забезпеченням (hardware).

До складу апаратної частини ком­п'ютера повинні входити такі основні пристрої (функціо­нальні блоки): пристрій управління, арифметико-логічний пристрій (АЛП), оперативна пам'ять і пристрої введення та виведення.

Здебільшого АЛП та пристрій управління не розгляда­ються окремо, а об'єднуються одним словом «процесор». Процесор — це пристрій для опрацювання даних. Саме процесор виконує всі ті дії, які необхідні для розв'язання конкретної задачі, що ставить перед комп'ютером користувач. Процесор виконує команди одну за одною, тобто працює послідовно. Існують паралельні обчислювальні системи, які мають кілька процесорів, що працюють одночасно.

Процесор персонального комп'ютера виконаний у вигляді мікросхеми — єдиного мікроелектронного при­строю, створеного на кристалі напівпровідника і вміщеного в мініатюрний корпус (тому він називається мікропроцесо­ром).

Основними параметрами процесорів є: тактова частота, розрядність, робоча напруга, коефіцієнт внутрішнього домноження тактової частоти, розмір кеш пам'яті.

Тактова частота визначає кількість елементарних операцій (тактів), що виконуються процесором за одиницю часу.

Розрядність процесора показує, скільки біт даних він може прийняти і обробити в свої регістрах за один такт. Сучасні процесори сімейства Intel є 32-розрядними і навіть 64-розрядними.

Робоча напруга процесора забезпечується материнською платою, тому різним маркам процесорів відповідають різні материнські плати. Зараз робоча напруга процесорів не перевищує 3 В. Пониження робочої напруги дозволяє зменшити розміри процесорів, а також зменшити тепловиділення в процесорі, що дозволяє збільшити його продуктивність без загрози перегріву.

Коефіцієнт внутрішнього домноження тактової частоти - це коефіцієнт, на який слід помножити тактову частоту материнської плати, для досягнення частоти процесора.

Кеш-пам'ять. Обмін даними всередині процесора відбувається набагато швидше ніж обмін даними між процесором і оперативною пам'яттю. Тому, для того щоб зменшити кількість звертань до оперативної пам'яті, всередині процесора створюють так звану надоперативну або кеш-пам'ять. Коли процесору потрібні дані, він спочатку звертається до кеш-пам'яті, і тільки якщо там потрібні дані відсутні, відбувається звертання до оперативної пам'яті. Чим більший розмір кеш-пам'яті, тим більша ймовірність, що необхідні дані знаходяться там.

Пам'ять комп'ютера поділяється на внутрішню (основну) та зовнішню. До внутрішньої пам'яті відносяться: опера­тивна пам'ять, регістри процесора, постійна пам'ять і кеш-пам'ять.

Оперативна пам'яті — це електронна пам'ять для збе­рігання, програм та даних, які опрацьовує процесор у даний проміжок часу.

Регістри — це надшвидка пам'ять процесора. Вони збе­рігають адресу команди, саму команду, дані для її виконання і результат.

Кеш-пам'ять є проміжним запам'ятовуючим при­строєм і використовується для прискорення обміну між процесором і RAM.

Постійна пам'ять — це електронна пам'ять для довго­тривалого зберігання програм та даних. Використовується вона тільки для читання інформації.

Комп'ютер має зовнішню пам'ять, яка використовується для довготривалого збереження програм та даних. Вона ре­алізується за допомогою спеціальних пристроїв (накопичувачів), які залежно від способів запису та зчитування діляться на магнітні, оптичні та магнітно-оптичні.

Пристрої, в яких використовуються магнітні стрічки, належать до пристроїв з послідовним доступом. Пристрої, які використовують магнітні та оптичні диски, належать до пристроїв з прямим доступом. У персональних комп'ютерах застосовуються магнітні диски двох типів — незмінні тверді (жорсткі) та змінні гнучкі. Вони дають змогу здійснювати як введення; так і ви­ведення даних.

Пристрої введення та виведення.

Дисплей — це пристрій відображення даних. Більшість дисплеїв можуть відображати на екрані дані в різних фор­мах — числовій, текстовій, графічній. Форма відображення даних залежить від можливостей комп'ютера, наявності відповідної апаратної частини — графічної плати (або графічної карти). Основний пристрій дисплея — електрон­но-променева трубка. В залежності від принципу дії, монітори поділяються на монітори з електронно-променевою трубкою та дисплеї на рідких кристалах. Основні параметри моніторів є розмір по діагоналі, роздільна здатність, частота регенерації (обновлення) та клас захисту.

Клавіатура - це стандартний клавішний пристрій введення, призначений для введення алфавітно-цифрових даних та команд керування. Комбінація монітора та клавіатури забезпечує найпростіший інтерфейс користувача: за допомогою клавіатури керують комп'ютерною системою, а за допомогою монітора отримують результат.

Маніпулятор "миша" - це пристрій керування маніпуляторного типу. До числа параметрів миші, якими може керувати користувач, належать: чутливість (характеризує величину переміщення курсору миші на екрані при заданому переміщенні миші), функції лівої та правої клавіш, а також чутливість до подвійного кліку (визначає максимальний проміжок часу, протягом якого два окремих кліки клавіші розглядаються як один подвійний клік).

Принтери призначені для виведення інформації на тверді носії, здебільшого на папір. За принципом дії розрізняють: матричні, струменеві та лазерні принтери.

Сканери -це пристрій, який дає змогу вводити в комп'ютер чорно-біле або кольорове зображення, прочитувати графічну та текстову інформацію. Сканер використовують у випадкові, коли виникає потреба ввести в комп'ютер із наявного оригіналу текст і/або графічне зображення для його подальшого оброблення (редагування і т.д.).

Основні технічні характеристики сканерів: роздільна здатність, глибина представлення кольорів, динамічний діапазон., метод сканування., область сканування., швидкість сканування.

Модем - це пристрій призначений для під'єднання комп'ютера до звичайної телефонної лінії. Назва походить від скорочення двох слів - МОдуляція та ДЕМодуляція.

 

 

Архітектура комп’ютера. Поняття архітектури комп’ютера. Класична архітектура комп’ютера і принципи фон Неймана. Удосконалення і розвиток внутрішньої структури комп’ютера. Основний цикл роботи комп’ютера. Система команд комп’ютера і способи звернення до даних.

Архітектура ЕОМ – це опис сукупності пристроїв та блоків ЕОМ і зв’язки між ними. Поняття архітектури тісно пов’язане з принципами роботи ЕОМ. Принципи фон Неймана у конструюванні обчисл машин:

- Принци програмного керування – програма має бути розміщена у памяті ЕОМ та послідовно виконуватися за доп простих однотипних дій. Тобто програма має поянювати машині послідовність і характер дій, що виконуються. Програма міститься у памяті ЕОМ, що відрізняє ці машини від дофоннемовських.

- Принцип адресності – кожній комірці памяті відповідає номер, який наз. адресою комірки. На рівні логіки оперативну пам'ять подано у вигляді набору комірок (ОП). У найпростішому випадку ОП складається з N комірок з послідовними номерами від 0 до N-1.Номер комірки є її адресою, за якою можна звернутися до комірки в процесі запису-зчитування. Число, що зберіг-ся в комірці є її вмістом або значенням.

Компоненти обч машини за фон Нейманом:

1. Оперативна пам'ять ОП склад-ся з пронумерованих комірок, у кожну з яких може бути записане одне двійкове число.

2. Арифметично-логічний пристрій – може виконувати певний набір команд, що відповідають арифметичним та логічним операціям. Результат викон команди зберігається в АЛП до надходження наступної команди.

3. Пристрій управління ПУ – забезп читання та запис інфи до комірок памяті, формує сигнали для керування роботою АЛП та зовн пристроїв.

4. Зовнішні пристрої ЗП – пр. введення та виведення інфи: клава, монітор, принтер.

У ході еволюції обч машин АЛП та ПУ були об’єднані в одну схему мікропроцесора, а архітектура компа значно ускладнилася. Однак осн принципи конструювання ЕОМ фон Неймана залиш-ся в силі.

Робота ЕОМ фон Неймана моделює роботу суч компів. Користувач за доп зовн пристроїв вводить програму, яка записується машиною до ОП. Програма має вигляд послідовного списку команд (інструкція для пристрою керування ЕОМ)

Конструкція ЕОМ фон Н

Виконання програми починається з того, що пристрій керування зчитує пам'ять комірки, у якій міститься перша команда програми, та організовує її виконання. Команда надходить до АЛП, у якому виконується певна операція. Після виконання однієї команди ПУ починає виконання команди з наступної комірки памяті. Порядок комірок ОП, з яких відб-ся зчитування, визнач-ся за доп команд ПУ. Тобто ПУ виконує програми автоматично, без втручання людини – в цьому і полягає принцип прогр керування.

Команда - это описание элементарной операции, которую должен выполнить компьютер.

В общем случае, команда содержит следующую информацию:

-код выполняемой операции;

-указания по определению операндов (или их адресов);

-указания по размещению получаемого результата.

Центральный процессор понимает определенную систему команд, т. е. те коды, которые предписывают ему выполнение определенных операций. Любая программа представляется в виде последовательности таких кодов. В период работы программы центральный процессор в каждый момент времени выполняет одну из ее команд, причем делает это с очень высокой скоростью.

Также операц система предоставляет пользователю определенный набор команд и соответствующих им ответных реакций компьютера, с помощью которых можно управлять вычислительной машиной

Ввод. Клавиатура - самое распространенное устройство для взаимодействия с компьютером. Программное обеспечение, управляющее машиной, интерпретирует определенные комбинации вводимых символов или как команды, которые надо выполнить, или как данные, подлежащие обработке. Простые программы можно ввести непосредственно с клавиатуры, однако более сложные и большие программы обычно загружаются в оперативную память компьютера с помощью специального внешнего устройства (например, для ввода), которое передает в машину хранимую на диске информацию.

Обработка. В блоке центрального процессора устройство управления следит за порядком выполнения операций, а арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические операции. Активная программа помещается в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) компьютера, благодаря чему центральный процессор может выбирать команды последовательно, одну за другой. Программы, которые всегда хранятся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), обеспечивают начальную активизацию компьютера и поддерживают взаимодействие процессора с устройствами ввода-вывода.

Вывод. Видеотерминал обеспечивает отображение графических результатов вычислений. Обычно компьютер выводит на экран информацию, поступающую с клавиатуры, а также свои ответы. Принтер служит для вывода информации на бумагу, Информация может также выводиться в виде искусственной речи или электрических импульсов

 

 

Архітектура мікропроцесорів. Історія розвитку мікропроцесорів. Внутрішня організація мікропроцесора. Робота мікропроцесора з пам’яттю. Методи адресації. Формати даних. Опрацювання переривань. Робота мікропроцесора із зовнішніми пристроями. Приклад системи команд мікропроцесора.

Центральний процесор — це основний робітник компонентів комп'ютера, що виконує арифметичні й логічні операції, задані програмою, управляє обчислювальним процесом і координує роботу всіх пристроїв комп'ютера.

Центральний процесор містить у собі:

- арифметико-логічний пристрій;

- шини даних і шини адреси;

- регістри;

- лічильники команд;

- кеш - дуже швидка пам'ять малого обсягу (від 8 до 512 Кбайт);

- математичний співпроцесор чисел із плаваючою крапкою.

Сучасні процесори виконуються у вигляді мікропроцесорів. Фізично мікропроцесор являє собою інтегральну схему - тонку пластинку кристалічного кремнію прямокутної форми площею всього кілька квадратних міліметрів, на якій розміщені схеми, що реалізують всі функції процесора. Кристал-пластинка міститься в пластмасовому або керамічному плоскому корпусі і з'єднується золотими проводками з металевими штирьками, щоб його можна було приєднати до системної плати комп'ютера.

Перший мікропроцесор був випущений в 1971 р. фірмою Intel (США) - МП 4004.Також у цей час випускається кілька сотень різних мікропроцесорів, але найбільш популярними і розповсюдженими є мікропроцесори фірми Intel і AMD. Процесор є модулем, призначенням якого є виконання розміщеної в пам’яті комп’ютера програми та управління іншими компонентами системи. Схема процесора здатна виконувати обмежену кількість відповідним чином закодованих команд, що в сукупності становлять його операційний ресурс. Операційний ресурс сучасних процесорів становить 100 – 400 команд і містить команди обміну даними, команди арифметичних операцій, команди порозрядних логічних операцій, команди зсувів та ін.

Найрозповсюдженішими моделями мікропроцесорів, які застосовуються в персональних комп’ютерах (ПК) є мікропроцесори, ряду х86 фірми Intel Corporation та сумісні з ними моделі інших фірм (насамперед, фірми Advanced Micro Devices – AMD). Основною ознакою їх класифікації є розрядність внутрішньої шини даних

Розрядність Intel Corporation Сумісні функціональні аналоги

8-розрядні 8080, Z80 КР580ВМ80 (СРСР)

16-розрядні 8086/8088, 80286 КР1810ВМ86 (СРСР)

32-розрядні 80386, 486, 586, P5 (Pentium), P6 (Pentium II/III/IV, Celeron) Am386, Am486, Am5x86 (5k86), AMD K5, K6, K6-II, K6-II (фірма AMD)

64-розрядні P7 (Itanium) – Merced, McKinley

Характеристики процесора:

-тактова частота – кількість елементарних операцій в секунду;

-розрядність регістрів – кількість Bit, що одночасно можуть опрацьовуватись в середині процесора.

- ємність кеш-памяті.

Мікропроцесор виконує дві основні функції. По-перше, він здійснює обчис­лення згідно з програмою, яка зберігається в оперативній пам'яті. По-друге, забезпечує загальне керування комп'ютером та обчислювальними процесами.

Отже ,функції мікропроцесора:

- вибірка команд з ОЗП;

- декодування команд (тобто визначення призначення команди, способа її виконання та адре операндів);

- виконання операцій, закодованих в командах;

- управління пересиланням інформації між своїми внутрішніми регістрами, ОП та зовнішніми пристроями;

- обробка сигналів від зовнішніх пристроїв;

- управління різними пристроями, що входять до складу комп’ютера.

Алгоритм роботи процесора.

Запишемо у вигляді схеми.

 

 

 

 

ПУ – пристрої управління; АЛП – арифметико-логічний пристрій;Частота,розрядність,КЕШ-память,регістри.Ф-ї обробка інформаціїї.

Постійна пам’ять.

Одразу ж після включення мікропроцесор звертається до оперативної пам’яті, інтерпритуючи її вміст, як машинні коди команд програми, тобто розпочинає виконання програми. Однак на даний момент жодної програми в оперативній пам’яті немає, оскільки при відключенні живлення її вміст втрачається, тобто має місце проблема завантаження програми до оперативної пам’яті. Цей процес, в свою чергу, також має здійснюватися програмно, тобто необхідна програма, яка б постійно зберігалася в пам’яті і виконувала роботу по завантаженню (ініціалізації) комп’ютера.

Для зберігання такої програми та іншої, важливої для комп’ютерної системи інформації використовується постійна пам’ять (ROM – Read-Only Memory). На відміну від оперативної, вміст постійної пам’яті не втрачається при вимкненні живлення комп’ютера, тобто інформація в ROM зберігається завжди. Така властивість постійної пам’яті отримала назву енергонезалежності. В свою чергу, постійна пам’ять дозволяє лише читання інформації і не дозволяє запис; початковий запис до ROM здійснюється на заводі виробником комп’ютера.

Мікропроцесор побудовано таким чином, що перше звернення до пам’яті він здійснює за адресою, яка фактично є адресою комірки постійної пам’яті, і таким чином розпочинає виконання записаної до неї програми. Цю програму прийнято називати програмою початкового завантаження або програмою ініціалізації комп’ютера.

Пристрої вводу-виводу.

Пристрої вводу-виводу (контролери, адаптери) забезпечують підключення та обмін інформацією з комп’ютером великої кількості різноманітних периферійних пристроїв. З одного боку, пристрої вводу – виводу підключені до системної магістралі, подібно до процесора та оперативної пам’яті і взаємодіють з останніми за інтерфейсом магістралі, з іншого – мають набір з’єднувачів для підключення відповідних периферійних пристроїв.

Подібно до комірок пам’яті, кожен пристрій має свій номер в системі (адресу), за якою він ідентифікується мікропроцесором або іншим пристроєм. Адресні простори оперативної пам’яті та пристроїв вводу – виводу є незалежними, тобто комірка пам’яті та подібний пристрій можуть мати однакову адресу в системі.

Стандартно в комп’ютері передбачена наявність таких пристроїв вводу-виводу:

Контролер клавіатури – забезпечує підключення клавіатури до комп’ютера та обробку її сигналів. У випадку натиснення клавіші контролер клавіатури генерує двійкове число, яке фактично скен- кодом клавіші або ASCII-кодом введеного символу.

Контролер прямого доступу до пам’яті (Direct Memory Access – DMA) – реалізує можливість перенесення великих масивів інформації між оперативною пам’яттю та будь-яким пристроєм без участі центрального процесора.

Контролер переривань – організує чергу запитів на обслуговування від різних пристроїв і генерує для мікропроцесора адрес (векторів) програм обробки переривань.

Контролери гнучкого та жорсткого дисків – забезпечують обмін даними та керування роботою жорстких та дисководів гнучких дисків, пристроїв CD-ROM, магніто-оптичних накопичувачів та ін.

Відеоадаптер – забезпечує необхідне перетворення інформації, попередньо розміщеної в його пам’яті, для відображення її в зручному вигляді на екрані монітора. Використовує архітектуру memory map, тобто пам’ять відеоадаптера знаходиться в межах адресного простору оперативної пам’яті комп’ютера. Використовуюється для підключення монітора.

Звуковий адаптер – реалізує можливість запису, обробки та відтворення аудіо-інформації. Використовується для підключення акустичних систем, мікрофонів, побутових аудіо-приладів.

Для підключення пристроїв вводу-виводу до системної магістралі на основній (материнській) платі комп’ютера є спеціальні з’єднувачі (слоти). В сучасних комп’ютерах більшість таких пристроїв є вбудованими (інтегрованими) в материнську плату і потреби в їх встановленні немає.