Лекция №6  Архитектура современной ВТ

Системный блок

Системный блок представляет собой особый узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными.

Системный блок и монитор независимо друг от друга подключаются к источнику питания – сети переменного тока. В новых компьютерах дисплей и системный блок иногда монтируется в одном корпусе.

Организация памяти компьютера. Виды памяти.

Различают два основных вида памяти — внутреннюю и внешнюю.

В состав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-память и специальная память.

Оперативная память

Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory — память с произвольным доступом) — это быстрое запоминающее устройство не очень большого объёма, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами. Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, так как, когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой — это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.

Важная характеристика модулей памяти — время доступа к данным.

Кэш-память

Кэш (англ. cache), или сверхоперативная память — очень быстрое ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью. Кэш-памятью управляет специальное устройство — контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память.

Специальная память

К устройствам специальной памяти относятся постоянная память (ROM), перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory), память CMOS RAM, питаемая от батарейки, видеопамять и некоторые другие виды памяти.

Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory — память только для чтения) — энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом “ зашивается ” в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.

Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) — энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого с дискеты.

Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти — модуль BIOS.

BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода) — совокупность программ, предназначенных для:

- автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера;

- загрузки операционной системы в оперативную память.

Для хранения графической информации используется видеопамять.

Видеопамять (VRAM) — разновидность оперативного ЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам — процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти

Внешняя память

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения программ и данных, и целостность её содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер. В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором. Информация от ВЗУ к процессору и наоборот циркулирует примерно по следующей цепочке:

В состав внешней памяти компьютера входят:

· накопители на жёстких магнитных дисках;

· накопители на гибких магнитных дисках;

· накопители на компакт-дисках;

· накопители на магнито-оптических компакт-дисках;

· DVD – многофункциональный цифровой оптический диск с высокой плотностью записи информации;

· накопители на магнитной ленте (стримеры) и др.

Мониторы

Монитор (дисплей) компьютера предназначен для вывода на экран текстовой и графической информации. Мониторы бывают цветными и монохромными. Они могут работать в одном из двух режимов: текстовом или графическом.

В текстовом режиме экран монитора условно разбивается на отдельные участки – знакоместа, чаще всего – на 25 строк по 80 символов. В каждое знакоместо может быть выведен один из 256 заранее заданных символов. На цветных мониторах каждому знакоместу может соответствовать свой цвет символа и свой цвет фона, что позволяет выводить красивые цветные надписи на экран.

Графический режим монитора предназначен для вывода на экран графиков, рисунков и т.д. В этом режиме можно также выводить и текстовую информацию в виде различных надписей.

В графическом режиме экрана монитора состоит из точек, каждая из которых может быть темной или светлой на монохромных мониторах или одного из нескольких цветов – на цветном.

Количество точек по горизонтали и вертикали называется разрешающей способностью монитора в данном режиме.

Часто используемые мониторы.

Наиболее широкое распространение в компьютерах IBM получили мониторы типов MDA, CGA, Hercules, EGA и VGA. Мониторы VGA и SVGA получили очень широкое распространение, они обеспечивают более высокую разрешающую способность.

Сенсорный экран - представляет собой технологию по взаимодействию с программами, в которой инструментом, реализующим функции светового пера, является человеческий палец. Секрет заключается в мониторе, который выполнен таким образом, что позволяет определить присутствие пальца на экране или в непосредственной близости от него.

Клавиатура

Клавиатура – клавишное устройство управления ПК. Служит для ввода алфавитно-цифровых данных, а также команд управления. Комбинация монитора и клавиатуры обеспечивает простейший интерфейс пользователя. С помощью клавиатуры управляют компьютерной системой, а с помощью монитора получают от нее отклик.

PrintScreen – печать текстового экрана (MS DOS). Пересылка графической копии экрана в буфер обмена (Windows).

Scroll lock – переключение режима работы в некоторых (как правило, устаревших) программах.

Pause / Break – приостановка/ прерывание текущего процесса.

Специальные клавиатуры – предназначены для повышения эффективности процесса данных. Это достигается путем изменения формы клавиатуры, раскладки ее клавиш или метода подключения к системному блоку.

По методу подключения к системному блоку различают проводные и беспроводные клавиатуры. Передача информации в беспроводных клавиатурах осуществляется инфракрасным лучом. Обычный радиус действия таких клавиатур составляет несколько метров. Источником сигнала является клавиатура.

Мышь

Мышь – это специальный манипулятор, который располагается слева или справа от клавиатуры в зависимости от того, левша вы или правша, и содержит две или три кнопки. Обычно средняя кнопка не используется, а две крайние кнопки обозначаются как левая и правая.

Специальные манипуляторы. Кроме обычной мыши существуют и другие типы манипуляторов, например: трекбол, пенмаусы, инфракрасные мыши.

Трекбол. В портативных компьютерах вместо мыши используется трекбол. Трекбол аналогичен мыши по принципу действия и функциям и представляет собой мышь, «перевернутую на спинку», шар оказывается сверху и вращать его необходимо пальцами или ладонью. Несколько «за» в пользу трекбола:

Инфракрасная мышь отличается от обычной наличием устройства беспроводной связи с системным блоком.

Видеокарта (видеоадаптер)

Совместно с монитором в идеокарта образует видеоподсистему ПК. За время существования ПК сменилось несколько стандартов видеоадаптеров: MDA (монохромный); CGA (4 цвета); EGA (16 цветов);VGA (256 цветов). В  настоящее время применяются видеоадаптеры, обеспечивающие по выбору воспроизведение до 16,7 миллионов цветов с возможностью произвольного выбора разрешения экрана из стандартного ряда значений (640*480,... 1280*1024 точек и далее).

Минимальное требование по глубине цвета на сегодняшний день – 256 цветов, хотя большинство программ требуют не менее 65 тыс. цветов (режим High Color). Наиболее комфортная работа достигается при глубине цвета 16,7 млн. цветов (режим True Color).

Еще недавно типовыми считались видеоадаптеры с объемом памяти 2-4 Мбайт, но уже сегодня обычным считается объем 16 Мбайт.

Звуковая карта – подключается к одному из слотов материнской платы в виде дочерней карты и выполняет вычислительные операции, связанные с обработкой звука, речи, музыки. Звук воспроизводится через внешние звуковые колонки, подключаемые к выходу звуковой карты.

Устройства ввода графических данных (сканеры, графические планшеты (дигитайзеры), и цифровые фотокамеры)

Сканеры - устройство для ввода графических изображений в компьютер. С помощью сканеров можно вводить и знаковую информацию. В этом случае исходный материал вводится в графическом виде, после чего обрабатывается специальными программными средствами (пр. распознавания образов) Планшетные сканеры предназначены для ввода гр. Информации с прозрачного или непрозрачного листового материала. или предназначаться для ввода изображений со слайдов. Принцип действия этих устройств состоит в том, что луч света, отраженный от поверхности материала, фиксируется специальными элементами, называемыми приборами с зарядовой связью (ПЗС). Обычно элементы ПЗС конструктивно оформляют в виде линейки, располагаемой по ширине исходного материала. Перемещение линейки относительно листа бумаги выполняется механическими протягиванием линейки при неподвижной установке линейки.

Ручные сканеры. Принцип действия РС в основном соответствует планшетным. Разница заключается в том, что протягивание линейки ПЗС в данном случае выполняется вручную. Равномерность и точность при этом обеспечиваются неудовлетворительно.

Барабанные сканеры. В сканерах этого типа исходный материал закрепляется на цилиндрической поверхности барабана, вращающегося с высокой скоростью. Устройства этого типа обеспечивают наивысшее разрешение благодаря применению не ПЗС, а фотоэлектронных умножителей. Их используют для сканирования исходных изображений, имеющих высокое качество, но недостаточные линейные размеры.

Сканеры форм. Предназначены для ввода данных со стандартных форм, заполненных механически или «от руки». Необходимость в этом возникает при проведении переписей населения, обработке результатов выборов и анализе анкетных данных.

Штрих- сканеры. Это разновидность ручных сканеров предназначена для ввода данных, закодированных в виде штрих-кода. Такие уст. Имеют применение в розничной торговой сети.

Графические планшеты (дигитайзеры). Эти уст-ва предназначены для ввода художественной гр-ой информации. С их помощью осуществляется ввод координат в компьютер. Практически являются той же мышью, но с визирной сеткой для точного передвижения манипулятора по желаемой траектории. Используются для оцифровки кривых, например, при вводе изображения карт.

Световое перо - устройство напоминающее обычную ручку только с проводом. Данное устройство по возможностям сходно с мышью с той разницей, что мышью вы водите по столу, а световым пером - по экрану. Внутри светового пера находится специальный элемент - фотодиод, который регистрирует изменение яркости в том месте экрана, куда указывает перо.

Кодирующие планшеты (Art Pat). Электронное «перо» художника: вводит в компьютер движения карандаша по планшету, в том числе учитывается, с какой силой осуществляется нажим на «перо», «карандаш» не имеет механической связи с поверхностью планшета. В зависимости от конструкции карандаш может быть выполнен как с батарейками, так и без них.

Устройства вывода данных

Принтеры Принтер это устройство, предназначенное для печати текстов, рисунков и т.п. Принтеры бывают матричные, лазерные и струйные. Матричные принтеры ударяют иголками через красящую ленту по бумаге. Они работают медленно и часто издают много шума.

Струйные принтеры распыляют чернила через специальные форсунки. Эти принтеры стоят столько же, сколько и матричные, но обладают лучшим качеством печати и бесшумны. К недостаткам струйной печати следует отнести то, что чернила на бумаге могут размазываться и смываться. Лучше воспользоваться лазерным принтером, так как лазерные принтеры обеспечивают лучшее качество печати, печатают быстрее и вам не придется часто менять чернильницы как в струйном принтере.

В лазерном принтере лазер рисует изображение документа, которое должно быть напечатано, на специальном барабане. В тех местах, где лазер «прошелся» по барабану, создается электростатический заряд. Затем на барабане напыляется красящий порошок, при этом частицы прилипают к заряженным участкам барабана. На следующем этапе барабан прокатывает лист бумаги, и частицы порошка переносятся на бумагу. Для закрепления лист бумаги проходит через печку, и частицы порошка спекаются, создавая четкое несмываемое изображение.

Самой важной характеристикой принтеров является разрешающая способность печати. Она измеряется в точках на дюйм. Если вы собираетесь печатать графику, то выбирайте принтер с разрешающей способностью 600 dpi. Для лазерных принтеров также важной характеристикой является объем памяти, установленной в принтере. Минимально необходимый размер для печати графики составляет 4 Мбайт.

Светодиодные принтеры. Принцип действия этих принтеров похож на принцип действия лазерных принтеров. Разница заключается в том, что источником света является не лазерная головка, линейка светодиодов. Поскольку эта линейка расположена по всей ширине печатаемой страницы, отпадает необходимость в механизме формирования горизонтальной развертки и вся конструкция получается проще, надежнее и дешевле.

Плоттеры

Устройства для вывода графиков, диаграмм и т.д., с использованием пишущего узла типа «перо». Отличаются по формату используемой бумаги и количеству перьев. Различают планшетные плоттеры (бумага неподвижна, перо перемещается по двум осям) и плоттеры, использующие перемещение бумаги по одной оси и перемещение пера – по другой. Современные плоттеры снабжены восемью перьями различных типов и могут быть использованы для чтения, как на бумаге, так и на кальке или пленке. Срок службы перьев определяется видом выводимой информации и составляет около 350 метров бумаги.

Стримеры. Стримеры – это накопители на магнитной ленте. Их отличают сравнительно низкая цена. К недостаткам стримеров относят малую производительность и недостаточную надежность. Емкость магнитных кассет (картриджей) для стримеров составляет до нескольких сот Мбайт. Дальнейшее повышение емкости за счет повышения плотности записи снижает надежность хранения, а повышение емкости за счет увеличения длины ленты сдерживается низким временем доступа к данным.

Устройства обмена данными.

Модем – устройство для обмена информацией с другими компьютерами через телефонную сеть. По конструктивному исполнению модемы бывают встроенными (вставными в системный блок компьютера) и внешними (подключенными через коммуникационный порт).

Модемы отличаются друг от друга максимальной скоростью передачи данных, а также тем, поддерживают ли они средства исправления ошибок. Факс – модем – устройство, сочетающее возможности модема и средства для обмена факсимильными изображениями с другими факс – модемами и обычными телефаксными аппаратами.

Звуковые платы

Позволяют с высоким качеством воспроизводить звуковые фрагменты, включаемые в игровые и учебные программы.

С их помощью можно записывать звуковые сообщения и рассылать их, например, в виде замечаний к текстовому документу. Для качественного воспроизведения звука необходимо иметь не менее чем 16 -–битную звуковую плату. На платах могут быть установлены частотно – модулированные или волновые синтезаторы.

С недавнего времени на звуковые платы стали устанавливать цифровые сигнальные процессоры для разгрузки основного процессора компьютера.

Источники бесперебойного питания. Обеспечивают работу компьютера при колебании напряжения в сети, в том числе и при полном его отключении (до нескольких десятков минут). 

Мультимедиа-проекторы. Они прочно вошли в нашу жизньи невозможно представить многие сферы человеческой деятельности. Он позволяет воспроизводить на большом экране информацию, получаемую от самых разнообразных источников сигнала: компьютера, видеомагнитофона, видеокамеры, фотокамеры, и т.д.

Вместе с развитием вычислительных систем, стремительно развиваются и другие отрасли цифрового мира, с каждым днем цифровые технологии все больше входят в нашу жизнь. На сегодняшний день среди многообразия цифровых устройств можно встретить некоторые устройства, которые еще несколько лет назад не имели ни малейшего отношения к ПК. К таким устройствам можно отнести цифровые фотоаппараты, фотографии с таких камер очень легко перенести на компьютер с помощью USB-кабеля. Также можно подключать мобильные телефоны, цифровую видеокамеру.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение понятию «архитектура компьютера».

2. Охарактеризуйте основные группы устройств компьютера.

3. Что называется интерфейсом?

4. Что понимается под аппаратным обеспечением компьютера?

5. Что называется процессором? Опишите его основные функции.

6. Как связаны между собой быстродействие и тактовая частота процессора?

7. Для чего необходима материнская плата?

8. Для чего нужна шина?

9. Для чего нужен системный блок?

10. Охарактеризуйте назначение устройств ввода-вывода?

11. Что называется дисплеем? Опишите классификацию дисплеев.

12. Для чего нужны адаптеры?

13. Назовите основные режимы работы клавиатуры?

14. Укажите основные технические характеристики и разновидности принтеров.

15. Для чего нужен сканер? Укажите технические характеристики сканеров.

 

Лекция №6  Архитектура современной ВТ

План лекций:

· исследователи в области компьютерной архитектур;

· понятие архитектуры компьютера;

· наиболее распространенные архитектурные решения компьютера;

· принципы Джона фон Неймана;

· устройства компьютера.

Вопросы организации компьютера, его архитектуры вот уже на протяжении более полувека, начиная с конца 40-вых годов ХХ века, когда эти проблемы были предметом деятельности отдельных групп узких специалистов, а с началом эры ПК, вызывают живой интерес и у огромного количества пользователей ПК. Любое достижение в данной области почти сразу становится достоянием большинства программистов и разработчиков по всему миру.

Прионеры исследований и практических разработок в области компьютерной архитектуры, а это прежде всего Г.Айкен, Д.Атанасов, К.Берри, Д.Моучли, П.Эккерт, К.Цузе и наконец С.А.Дебедев е особенности Джон фон Нейман стояли у истоков этого раздела технологий.

При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру.

Архитектурой компьютера назавается его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, ОЗУ, ВЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

(Под архитектурой компьютера понимается совокупность сведений об основных устройствах компьютера и их назначении, о способах представления программ и данных в машине, об особенностях ее организации и функционирования.)

Структура компьютера – это совокупность его функциональных элементов и связь между ними. Элементами могут быть самые различные утройства – от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Наиболее распространены следующие архитектурные решения.

v Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) – одно арифметическо-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд – программа. Это однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.

 Перифериные устройства подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры – устройства управления периферийными устройствами.

Контроллер – устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

v Многопроцессорная архитекрура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполнятся несколько фрагментов одной задачи.

v Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко.Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорным очевидно.

v Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе – то есть, по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных.

В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 году американским ученым Джонм фон Нейманом.

1) Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.

2) Принцип прграммного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Выборка прогаммы из памяти осуществляется с помощью счётчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нём адрес очередной команды на длину команды.

А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.

3) Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьтер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых её частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции – перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

4) Принцип адрестности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было вследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имён.

Компьтеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских.

Разнообразие современных компьютеров очень велико. Но их структуры основаны на общих логических принципах, позволяющих выделить в любом компьютере следующие главные устройства:

- процессор, включающий в себя устройство управления и АЛУ;

- память (запоминающее устройство (ЗУ), состоящую из перенумерованных ячеек;

- устройства ввода и вывода (внешние устройства).

Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация.

На рисунке показано, каковы должны быть связи между устройствами компьютера согласно принципу фон Неймана (одинарные линии показывают управляющие связи, пунктир – информационные).

 

 

 

 Архитектура современных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе. Информационная связь между устройствами компьютера осуществляется через системную шину (другое название системная магистраль).

ПК – универсальная техническая система. Его конфигурацию можно гибко изменять по мере необходимости. Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. Понятие базовой конфигурации может меняться. В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают следующие устройства:

- системный блок;

- монитор;

- клавиатура;

Также обычно присутствует манипулятор с названием «мышь» и принтер для распечатывания текстов и рисунков.

Системный блок

Системный блок представляет собой особый узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными.

Системный блок и монитор независимо друг от друга подключаются к источнику питания – сети переменного тока. В новых компьютерах дисплей и системный блок иногда монтируется в одном корпусе.