Функциональная схема компьютера. Основные устройства компьютера и их функции.

Несмотря на огромное разнообразие вычислительной техники и ее необычайно быстрое совершенствование, фундаментальные принципы устройства машин во многом остаются неизменными. В частности, начиная с самых пер­вых поколений, любая ЭВМ состоит из следующих основ­ных устройств: процессор, память (внутренняя и внеш­няя) и устройства ввода и вывода информации. Рас­смотрим более подробно назначение каждого из них.

Процессор является главным устройством компью­тера, в котором собственно и происходит обработка всех видов информации. Другой важной функцией процессо­ра является обеспечение согласованного действия всех узлов, входящих в состав компьютера. Соответственно наиболее важными частями процессора являются ариф­метико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ).

Каждый процессор способен выполнять вполне опре­деленный набор универсальных инструкций, называемых чаще всего машинными командами. Каков именно этот набор, определяется устройством конкретного про­цессора, но он не очень велик и в основном аналогичен для различных процессоров. Работа ЭВМ состоит в вы­полнении последовательности таких команд, подготов­ленных в виде программы. Процессор способен органи­зовать считывание очередной команды, ее анализ и вы­полнение, а также при необходимости принять данные или отправить результаты их обработки на требуемое устройство. Выбрать, какую инструкцию программы исполнять следующей, также должен сам процессор, причем результат этого выбора часто может зависеть от обрабатываемой в данный момент информации.

Хотя внутри процессора всегда имеются специальные ячейки (регистры) для оперативного хранения обраба­тываемых данных и некоторой служебной информации, в нем сознательно не предусмотрено место для хране­ния программы. Для этой важной цели в компьютере служит другое устройство — память. Мы рассмотрим лишь наиболее важные виды компьютерной памяти, поскольку ее ассортимент непрерывно расширяется и пополняется все новыми и новыми типами.

Память в целом предназначена для хранения, как дан­ных, так и программ их обработки: согласно фундамен­тальному принципу фон Неймана, для обоих типов ин­формации используется единое устройство.

Начиная с самых первых ЭВМ, память сразу стали делить на внутреннюю и внешнюю. Исторически это действительно было связано с размещением внутри или вне процессорного шкафа. Однако с уменьшением раз­меров машин внутрь основного процессорного корпуса удавалось поместить все большее количество устройств, и первоначальный непосредственный смысл данного де­ления постепенно утратился. Тем не менее, терминоло­гия сохранилась.

Под внутренней памятью современного компью­тера принято понимать быстродействующую электрон­ную память, расположенную на его системной плате.

Сейчас такая память изготавливается на базе самых со­временных полупроводниковых технологий (раньше использовались магнитные устройства на основе ферритовых сердечников — лишнее свидетельство тому, что конкретные физические принципы значения не имеют). Наиболее существенная часть внутренней памяти назы­вается оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Его главное назначение состоит в том, чтобы хранить данные и программы для решаемых в текущий момент задач. Наверное, каждому пользователю извест­но, что при выключении питания содержимое ОЗУ пол­ностью теряется. В состав внутренней памяти современ­ного компьютера, помимо ОЗУ, также входят и некото­рые другие разновидности памяти, которые при первом знакомстве можно пропустить. Здесь упомянем только о постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), в котором, в частности, хранится информация, необходи­мая для первоначальной загрузки компьютера в момент включения питания. Как очевидно из названия, инфор­мация в ПЗУ не зависит от состояния компьютера (для лучшего понимания можно указать на некоторую ана­логию между информацией в ПЗУ и "врожденными" безусловными рефлексами у живых существ). Раньше содержимое ПЗУ раз и навсегда формировалось на за­воде, теперь же современные технологии позволяют в случае необходимости обновлять его даже не извлекая из компьютерной платы.

Внешняя память реализуется в виде довольно раз­нообразных устройств хранения информации и обыч­но конструктивно оформляется в виде самостоятель­ных блоков. Сюда, прежде всего, следует отнести нако­пители на гибких и жестких магнитных дисках (послед­ние пользователи жаргонно именуют винчестерами), а также оптические дисководы (устройства для работы с СD-RОМ). В конструкции устройств внешней памяти имеются механически движущиеся части, поэтому ско­рость их работы существенно ниже, чем у полностью электронной внутренней памяти. Тем не менее, вне­шняя память позволяет сохранить огромные объемы информации с целью последующего использования. Под­черкнем, что информация во внешней памяти, прежде всего, предназначена для самого компьютера и поэтому хранится в удобной ему форме; человек без использо­вания машины не в состоянии, например, даже отда­ленно представить содержимое немаркированной дис­кеты или диска СО-RОМ.

Современные программные системы способны объе­динять внутреннюю и внешнюю память в единое целое, причем так, чтобы наиболее редко используемая инфор­мация попадала в более медленно работающую внешнюю память. Такой метод дает возможность очень существен­но расширить объем обрабатываемой с помощью ком­пьютера информации.

Если процессор дополнить памятью, то такая система уже может быть работоспособной. Ее существенным недостатком является невозможность узнать что-либо о происходящем внутри такой системы. Для получения информации о результатах необходимо дополнить ком­пьютер устройствами вывода, которые позволяют представить их в доступной человеческому восприятию форме. Наиболее распространенным устройством выво­да является дисплей, способный быстро и оперативно отображать на своем экране как текстовую, так и гра­фическую информацию. Для того чтобы получить ко­пию результатов на бумаге, используют печатающее ус­тройство, или принтер.

Наконец, поскольку пользователю часто требуется вводить в компьютерную систему новую информацию, необходимы еще и устройства ввода. Простейшим устройством ввода является клавиатура. Широкое рас­пространение программ с графическим интерфейсом способствовало популярности другого устройства вво­да — манипулятора мышь. Наконец, очень эффектив­ным современным устройством для автоматического ввода информации в компьютер является сканер, по­зволяющий не просто преобразовать картинку с листа бумаги в графический компьютерный файл, но и с по­мощью специального программного обеспечения рас­познать в прочитанном изображении текст и сохра­нить его в виде, пригодном для редактирования в обыч­ном текстовом редакторе.

Теперь, когда мы знаем основные устройства компь­ютера и их функции, осталось выяснить, как они взаи­модействуют между собой. Для этого обратимся к функ­циональной схеме современного компьютера, приведен­ной на рисунке. Для связи основных устройств компьютера между со­бой используется специальная информационная магист­раль, обычно называемая инженерами шиной. Шина состоит из трех частей: шина адреса, на которой устанавливается адрес требуемой ячейки памяти или устройства, с кото­рым будет происходить обмен информацией; шина данных, по которой собственно и будет пе­редана необходимая информация; и, наконец, шина управления, регулирующая этот процесс (например, один из сигналов на этой шине позво­ляет компьютеру различать между собой адреса памяти и устройств ввода/вывода). Рассмотрим в качестве примера, как процессор чита­ет содержимое ячейки памяти. Убедившись, что шина в данный момент свободна, процессор помещает на шину адреса требуемый адрес и устанавливает необходимую служебную информацию (операция — чтение, устрой­ство — ОЗУ и т.п.) на шину управления. Теперь ему остается только ожидать ответа от ОЗУ. Последнее, "уви­дев" на шине обращенный к нему запрос на чтение информации, извлекает содержимое необходимой ячейки и помещает его на шину данных. Разумеется, реаль­ный процесс значительно подробнее, но нас сейчас не интересуют технические детали. Особо отметим, что обмен по шине при определенных условиях и при нали­чии определенного вспомогательного оборудования мо­жет происходить и без непосредственного участия про­цессора, например, между устройством ввода и внут­ренней памятью. Подчеркнем также, что описанная нами функциональ­ная схема на практике может быть значительно слож­нее. Современный компьютер может содержать несколь­ко согласованно работающих процессоров, прямые ин­формационные каналы между отдельными устройства­ми, несколько взаимодействующих магистралей и т.д. Тем не менее, если понимать наиболее общую схему, то разобраться в конкретной компьютерной системе будет уже легче. Магистральная структура позволяет легко подсоеди­нять к компьютеру именно те внешние устройства, ко­торые нужны для данного пользователя. Благодаря ей удается скомпоновать из стандартных блоков любую индивидуальную конфигурацию компьютера. 2. Решение расчетной задачи с использованием ма­тематических функций (среднее арифметическое, ми­нимум, максимум и др.) в среде электронных таблиц. В качестве примера подобной задачи можно привес­ти следующую. Условие задачи. Из файла ТЕМРЕК. прочитать в элект­ронную таблицу данные о темпера­туре, фиксируемой ежедневно в те­чение года. Организовать вычисле­ние максимального, минималь­ного и среднего значения темпе­ратуры по каждому месяцу и за год в целом.

В качестве усложнения задачи мож­но добавить к ней еще один вопрос: проделать аналогичные вычисления по каждому из времен года.

Рекомендации по решению. Используя соответству­ющие статистические функции (например, в Ехсеl они называются МАКС, МИН и СРЗНАЧ), сформируйте формулы вычисления требуемых значений для января. Затем скопируйте эти формулы для остальных месяцев.

Примечания

1. Техника копирования формул в разных электронных таблицах различна. В Ехсеl это делается наиболее просто пу­тем выделения ячеек с формулами и расширения рамки вы­деления на ячейки остальных месяцев (более строго это на­зывается "перетаскиванием маркера заполнения").

2. При копировании формул необходимо обязательно учи­тывать, как конкретные электронные таблицы обрабатывают "пустые" ячейки. Например, если формулу для суммирова­ния температуры 31 дня за январь механически скопировать в столбец февраля, где, как известно, в обычном году 28 дней, то три нижних суммируемых клетки будут незаполненными. Ехсеl их просто проигнорирует и результат будет правиль­ным: среднее по действительно заполненным 28 ячейкам. При использовании других электронных таблиц среднее значение может быть все же найдено по 31 ячейке, что приведет к ошибке.

При вычислении среднего значения температуры за весь год ни в коем случае не пытайтесь использовать "рациональный" способ усреднения двенадцати ежеме­сячных средних — это математически неверно! Пра­вильный способ состоит в обработке всех 365 значений в ячейках таблицы.

Наконец, при нахождении средней температуры за весну, лето и осень достаточно обработать по три сосед­них столбца. Для зимы результирующая формула будет наиболее сложной, поскольку надо обработать результа­ты двух первых столбцов (январь, февраль) и одновре­менно последнего (декабрь). Эту часть задачи вполне можно не включать в билет.

Билет №3

1. Характеристики процессора и внутренней памя­ти компьютера (быстродействие, разрядность, объем памяти и др.).

2. Разработка алгоритма перемещений и действий для исполнителей типа "Робот" или "Черепашка".

1. Характеристики процессора и внутренней памя­ти компьютера (быстродействие, разрядность, объем памяти и др.).

Необычайно быстрое развитие вычислительной техни­ки приводит к тому, что одновременно в употреблении находится большое количество компьютеров с достаточ­но разнообразными характеристиками. Поэтому очень полезно знать, каковы основные характеристики узлов компьютера, на что они влияют и как их подбирать. Здесь будут рассмотрены параметры наиболее важных устройств компьютера, таких, как процессор и внутренняя память.

Начнем с процессора. Очевидно, что пользователя в первую очередь интересует его производительность, т.е. скорость выполнения предложенной процессору задачи. Традиционно быстродействие процессора измерялось пу­тем определения количества операций в единицу вре­мени, как правило, в секунду. До тех пор, пока машины выполняли только вычисления, такой показатель был дос­таточно удобен. Однако по мере развития вычислительной техники количество видов обрабатываемой информации возрастало, и обсуждаемый показатель перестал быть уни­версальным. В самом деле, в простейшем случае даже ко­личество арифметических действий над целыми и над ве­щественными числами может для одного и того же ком­пьютера отличаться на порядок! Что говорить о скорости обработки графической или видеоинформации, которые к тому же зависят не только от самого процессора, но и от устройства видео блоков компьютера... Кроме того, совре­менные процессоры, например Pentium, имеют очень слож­ное внутреннее устройство и могут выполнять машинные команды параллельно. Иными словами, процессор может одновременно выполнять несколько разных инструкций, а значит, время завершения команды уже зависит не только от нее самой, но и от "соседних" операций! Таким обра­зом, количество выполняемых за секунду операций пере­стает быть постоянным и выбирать его в качестве характе­ристики процессора не очень удобно.

Именно поэтому сейчас получила широкое распрост­ранение другая характеристика скорости работы процес­сора — его тактовая частота. Рассмотрим данную вели­чину подробнее. Любая операция процессора (машин­ная команда) состоит из отдельных элементарных дейст­вий — тактов. Для организации последовательного вы­полнения требуемых тактов друг за другом в компью­тере имеется специальный генератор импульсов, каждый из которых инициирует очередной такт машинной команды (какой именно, определяется устройством про­цессора и логикой выполняемой операции). Очевидно, что чем чаще следуют импульсы от генератора, тем быс­трее будет выполнена операция, состоящая из фиксиро­ванного числа тактов. Из сказанного следует, что такто­вая частота определяется количеством импульсов в секун­ду и измеряется в мегагерцах — т.е. миллионах импуль­сов за 1 секунду. Разумеется, тактовая частота не может быть произвольно высокой, поскольку в какой-то момент процессор может просто "не успеть" выполнить очеред­ной такт до прихода следующего импульса. Однако ин­женеры делают все возможное для повышения значения этой характеристики процессора, и на данный момент тактовая частота самых современных процессоров уже превышает 1000 МГц, т.е. 1 ГГц (1 гигагерц).

Следует четко представлять, что сравнение тактовых частот позволяет надежно определить, какой из двух про­цессоров более быстродействующий только в том случае, если оба процессора устроены примерно одинаково. Если же попытаться сравнить процессоры, произведенные раз­ными изготовителями и работающие по разным принци­пам, можно получить абсолютно неправильные выводы. В самом деле, если в одном из процессоров команда выпол­няется за 2 такта, а в другом — за 3, то при совершенно одинаковой частоте первый будет работать в полтора раза быстрее! Кроме того, не нужно забывать, что производи­тельность современной компьютерной системы определя­ется не только быстродействием отдельно взятого процес­сора, но и скоростями работы остальных узлов компью­тера и даже способами организации всей системы в целом:

очевидно, что чрезмерно быстрый процессор будет вынуж­ден постоянно простаивать, ожидая, например, медленно работающую память; или другой пример — очень часто простое увеличение объема ОЗУ дает гораздо больший эффект, чем замена процессора на более быстрый.

Косвенно скорость обработки информации зависит и еще от одного параметра процессора — его разрядно­сти. Под разрядностью обычно понимают число одно­временно обрабатываемых процессором битов, формаль­но эта величина есть количество двоичных разрядов в регистрах процессора, и для современных моделей она равна 32. Тем не менее, все не так просто. Дело в том, что, помимо описанной "внутренней" разрядности про­цессора, существуют еще разрядность шины данных, которой он управляет, и разрядность шины адреса (о шине более подробно рассказано в предыдущем билете).

Эти характеристики далеко не всегда совпадают (дан­ные для таблицы взяты из книги М.Гука "Процессоры intel: от 8086 до Pentium II". СПб.: Питер, 1997):

Процессор	Разрядность	Объем памяти
регистров	шины данных	шины адреса
Intel 8086				До 1М6
Intel 80286				до 16 Мб
Intel 80386				до 16 Мб
Intel 80486				До 4Гб
Pentium				до 4Гб
Pentium II				до 64 Гб

Мы не будем обсуждать технические причины, по которым эти три разрядности могут различаться между собой, ибо причины эти сейчас представляют в основ­ном исторический интерес. Отметим только, что раз­рядность регистров и разрядность "шины данных влияют на длину обрабатываемых данных, а вот разрядность шины адреса R определяет максимальный объем памя­ти, который способен поддерживать процессор. Эту ха­рактеристику часто называют величиной адресного пространства, и она может быть вычислена по про­стой формуле 2^R. Действительно, R. двоичных разрядов позволяют получить именно такое количество неповто­ряющихся чисел, т.е. в данном случае адресов памяти.

Перейдем теперь к описанию основных характери­стик памяти компьютера.

Хотя память компьютера состоит из отдельных битов, непосредственно "общаться" с каждым из них невозмож­но: биты группируются в более крупные блоки информа­ции, и именно они получают адреса, по которым проис­ходит обращение к памяти. По сложившейся историче­ской традиции минимальная порция информации, ко­торую современный компьютер способен записать в па­мять, составляет 8 бит, или 1 байт. Отсюда становится очевидным, что общий объем памяти должен измерять­ся в байтах или в производных от него единицах. Размер памяти персональных компьютеров стремительно возра­стает. Первые модели имели 16-разрядное адресное про­странство, следовательно, объем памяти 2¹⁶ = 64 Кб. За­тем, когда памяти под разрабатываемые программные системы перестало хватать, инженеры введением некото­рых весьма специфических способов формирования адре­са увеличили ее размер на порядок — в МS-DOS стандарт­ная память была принята равной 640 Кб. Сейчас вы вряд ли сможете приобрести новый компьютер с ОЗУ менее 32—64 Мб, т.е. еще на два порядка больше (надеемся, читатели не забыли, что 1 Мб = 1024 Кб!).

Еще одной важной характеристикой памяти являет­ся время доступа, или быстродействие памяти. Этот параметр определяется временем выполнения опера­ций записи или считывания данных; он зависит от прин­ципа действия и технологии изготовления запоминаю­щих элементов.

Оставляя в стороне целый ряд других технологических характеристик современных запоминающих устройств, нельзя, тем не менее, пройти мимо статического и дина­мического устройств микросхем памяти. Статическая ячейка памяти — это специальная полупроводниковая схема (инженеры называют ее триггером), обладающая двумя устойчивыми состояниями. Одно из них принимается за логический ноль, а другое — за единицу. Состояния эти действительно настолько устойчивы, что при отсутствии внешних воздействий (и, конечно, подключенном напря­жении питания!) могут сохраняться сколь угодно долго. Динамические ячейки памяти, напротив, не обладают этим свойством. Такие ячейки фактически представляют собой конденсатор, образованный элементами полупроводнико­вых микросхем. С некоторым упрощением можно ска­зать, что логической единице соответствует заряженный конденсатор, а нулю — незаряженный. Существенным свойством динамической ячейки памяти является наличие постепенного самопроизвольного разряда конденсатора че­рез внешние схемы, что ведет к потере информации. Что­бы этого не происходило, конденсаторы динамической па­мяти необходимо периодически подзаряжать (такой про­цесс принято называть регенерацией ОЗУ). Оба вида запоминающих микросхем успешно конкурируют между собой, поскольку ни одна из них не является идеальной. С одной стороны, статическая память значительно проще в эксплуатации, так как не требует регенерации и прибли­жается по быстродействию к процессорным микросхемам. С другой стороны, она имеет меньший информационный объем и большую стоимость (в самом деле, изготовление конденсатора значительно проще изготовления триггерной схемы, кроме того, конденсатор требует на кремниевой пластине гораздо меньше места), сильнее нагревается при работе. На практике в данный момент выбор микросхем для построения ОЗУ всегда решается, в пользу динамиче­ской памяти. И все же быстродействующая статическая память в современном компьютере тоже обязательно есть: она называется кэш-памятью.

Этот вид памяти заслуживает отдельного рассмотре­ния. Он появился относительно недавно, но, начиная с 486-го процессора, без кэш-памяти не обходится ни одна модель. Название "кэш" происходит от английского сло­ва сасЬе, которое обозначает тайник или замаскирован­ный склад (в частности, этим словом называют прови­ант, оставленный экспедицией для обратного пути, или запас продуктов, например, зерна или меда, который жи­вотные создают на зиму). "Секретность" кэша заключа­ется в том, что он невидим для пользователя и данные, хранящиеся там, недоступны для прикладного программ­ного обеспечения. Процессор использует кэш, помещая туда извлеченные им из ОЗУ данные и команды про­граммы и запоминая при этом в специальном каталоге адреса, откуда информация была извлечена. Если эти дан­ные потребуются повторно, то уже не надо будет терять времени на обращение к ОЗУ — их можно получить из кэш-памяти значительно быстрее. Поскольку объем кэша существенно меньше объема оперативной памяти, его кон­троллер (управляющая схема) тщательно следит за тем, какие данные следует сохранять в кэше, а какие заменять: удаляется та информация, которая используется реже или совсем не используется. Следует заметить, что кэш­память является очень эффективным средством повыше­ния производительности компьютера, в чем легко убе­диться на практике, если в вашем компьютере преду­смотрена возможность отключения кэша.

В современных компьютерах кэш обычно строится по двухуровневой схеме. При этом первичный кэш встро­ен непосредственно внутрь процессора, а вторичный обычно устанавливается на системной плате. Как и для ОЗУ, увеличение объема кэша повышает эффективность работы компьютерной системы.

2. Разработка алгоритма перемещений и действий для исполнителей типа "Робот" или "Черепашка".

Просмотрев упражнения к нескольким школьным учебникам, мы остановили свой выбор на задаче пост­роения изображения, которая может решаться для са­мых разнообразных исполнителей. Сразу подчеркнем, что, помимо приведенных ниже решений, содержащих 'процедуры и циклы, ученики могут реализовать и более простые линейные решения (просто написать длинный список необходимых команд, не обращая внимания на то, что они порой повторяются). По нашему мнению, это хорошо, ибо дает возможность слабым ученикам хоть как-то справиться с заданием; разумеется, оценка в пос­леднем случае должна быть ниже.

Условие задачи

Составить алгоритм, в результате выполнения которо­го на экране будет вычерчено следующее изображение:

 

Рисование начать с точки А и далее перемещаться согласно указанным на рисунке буквам латинского ал­фавита. Считать, что все стороны изображаемой фигуры равны.

Примечание. Буквы нанесены на рисунок исключительно ради удобства обсуждения в тексте статьи; их рисование на дисплее в задачу не входит!