Устройство компьютера

Устройство компьютера

Поколения ЭВМ. История ВТ.

Первое поколение — компьютеры на электронных лампах (1946 — 1956г.). Электронный компьютер ЭНИАК использовалось 18 тысяч электронных ламп, занимал площадь 135 м3, весила 30 тонн и потребляла 150 кВт электроэнергии.

Второе поколение — компьютеры на транзисторах (1956 — 1964г.). Резко уменьшили габариты, массу, потребляемую мощность, повысили быстродействие и надежность. Отечественная машина (серий "Минск", "Урал") содержала около 25 тысяч транзисторов.

Третье поколение — компьютеры на микросхемах с малой степенью интеграции (1964 — 1971г.). Микросхемы позволили повысить быстродействие и надежность ЭВМ, снизить габариты, массу и потребляемую мощность. Первая ЭВМ на микросхемах IBM-360 была размером с холодильник.

Четвертое поколение — компьютеры на микропроцессорах (1971 — настоящее время). Микропроцессор — это арифметическое и логическое устройство. Применение микропроцессоров привело к резкому снижению габаритов, массы и потребляемой мощности ЭВМ, повысило их быстродействие и надежность. Первый микропроцессор — Intel-4004. В 1975г. появился первый в мире персональный компьютер Альтаир-8800. В 1976г. появился персональный компьютер Apple на базе микропроцессора фирмы Motorola. Он положил начало компьютерам серии Макинтош. Первый компьютер фирмы IBM с названием IBM PC появился в 1981 году. серии IBM PC/AT. Его быстродействие было в 3-4 раза выше, чем у IBM PC/ХT. В 1985г. фирма Intel разработала 32-битовый процессор Intel-80386. Он содержал примерно 275 тысяч транзисторов и мог работать с 4 Гб дисковой памяти. Появились математические сопроцессоры (Intel-80287 и Intel-80387), которые повышали быстродействие компьютеров при математических расчетах и при работе с плавающей запятой. Процессоры 80г.), Pentium (1993г.), Pentium-Pro (1995г.), Pentium-2 (1997г.) и Pentium-3 (1999г.) уже имеют встроенный математический сопроцессор. На базе процессоров Pentium собраны многие современные персональные компьютеры.

Пятое поколение (перспективное) — это ЭВМ, использующие сверхбольшие интегральные схемы, оптические и магнитооптические элементы, работающие посредством обычного разговорного языка, оснащенные огромными базами данных. Предполагается также использовать элементы искусственного интеллекта и распознавание зрительных и звуковых образов.

Компьютер. Магистрально-модульный принцип построения.

Компьютер (ЭВМ) — это программируемое электронное устройство, предназначенное для обработки и хранения (накопления) информации. По размеру, быстродействию, объему памяти современные ЭВМ принято делить на следующие классы:

·  СуперЭВМ (CRAY и Эльбрус);

·  Большие ЭВМ;

·  МиниЭВМ (персональные компьютеры);

·  МикроЭВМ.

Архитектура ЭВМ — комплекс аппаратных и программных средств, с помощью которых обеспечивается выполнение задач пользователя и программирование задач. Архитектура разделяется на внешнюю и внутреннюю (то, из чего состоит ЭВМ).

В основу положен модульно-магистральный принцип. Модульная организация опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией.

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора Шина данных двунаправленная от процессора к устройству и наоборот. Код адреса формируется процессором и передается по однонаправленной шине адреса. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией (ввод/вывод) и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств.

Подключение отдельных модулей ЭВМ к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, адаптеров, а на программном обеспечивается драйверами. Их совокупность называется интерфейсом.

Принцип открытой архитектуры — это возможность постоянного усовершенствования компьютера IBM PC в целом и его отдельных частей с использованием новых устройств, которые полностью совместимы друг с другом независимо от фирмы-изготовителя.

Материнская плата — самая большая в ПК плата, на которой размещены микропроцессор, ОЗУ, ПЗУ (BIOS), видеокарта, звуковая карта и другие устройства, подключаемые через специальные разъемы — слоты расширения.

Принципы построения компьютеров

Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Принцип адресуемости. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Cостав персонального компьютера.

У персональных компьютеров выделяют 2 части: аппаратную часть — Hardware и программное обеспечение Software.

Иногда говорят еще о третьей части — Brainware — интеллекте пользователя, способного эффективно использовать как Hardware, так и Software. Описанное как ниже, так и выше пока касается только Hardware.

В состав Персонального Компьютера входят:

·  Системный блок;

·  Монитор;

·  Клавиатура;

·  Мышь.

Любой компьютер содержит:

Арифметико-логическое устройство (АЛУ), Запоминающее устройство (память), Управляющее устройство Устройство ввода-вывода информации (УВВ) и имеет программу, хранимую в его памяти (архитектура Джона фон Неймана).

СИСТЕМНЫЙ БЛОК включает в себя: процессор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) (размещены на материнской плате), накопители на гибких и жестких магнитных дисках, источник питания и др. На системном блоке расположены три кнопки: кнопка (или клавиша) включения/выключения машины, кнопка Reset для принудительной перезагрузки машины, кнопка Turbo для изменения быстродействия машины (Hi-высокая скорость, Lo-низкая скорость).

Устройства ввода информации: клавиатура, мышь, накопители на гибких магнитных дисках, модем, компьютерная сеть, сканер, световое перо, джойстик, трекбол, микрофон, дисковод CD-ROM.

Устройства вывода информации: монитор, принтер, плоттер, накопители на гибких магнитных дисках, звуковые колонки, встроенный динамик, стриммер, модем, компьютерная сеть.

ПРОЦЕССОР предназначен для вычислений, обработки информации и управления работой компьютера; ОЗУ, накопители на гибких и жестких магнитных дисках — для хранения информации. Процессоры характеризуются быстродействием и разрядностью Разрядность процессоров составляет 8, 16, 32, 64 бит.

ПАМЯТЬ компьютера бывает внутренней и внешней. К внутренней памяти относится постоянное ЗУ (ПЗУ-BIOS или CMOS Setup), ОЗУ, КЭШ, видеопамять. К устройствам внешней памяти относятся накопители на жестком и гибком магнитных дисках (HDD и FDD), CD-ROM, магнитооптический диск и стриммер. ОЗУ используется процессором для кратковременного хранения информации во время работы компьютера. При выключении источника питания информация в ОЗУ не сохраняется (разрушается).

КЭШ-память — это сверхоперативная сверхскоростная промежуточная память. КЭШ устраняет простои процессора, Наличие КЭШ в 256 Кб может увеличить производительность ПК на 20%. Размер КЭШ-памяти составляет от 64 Кб до 512 Кб.

НАКОПИТЕЛИ на гибких (FDD) и жестких (HDD) магнитных дисках служат для постоянного хранения информации.

КЛАВИАТУРА предназначена для ручного ввода информации в компьютер. Она содержит клавиши латинских и русских букв, цифр, различных знаков и специальные функциональные клавиши. Клавиатура компьютера состоит из 6 групп клавиш:

·  Буквенно-цифровые;

·  Управляющие;

·  Функциональные;

·  Цифровая клавиатура;

·  Управления курсором;

·  Световые индикаторы функций.

МОНИТОР (дисплей) предназначен для отображения информации на экране. Существуют текстовый и графический режимы дисплея.

Видеопамять — это специальная оперативная память, в которой формируется графическое изображение.

К персональному компьютеру могут подключаться и другие дополнительные устройства (мышь, принтер, сканер и др.). Подключение производится через ПОРТЫ — специальные разъемы на задней панели, бывают параллельные и последовательные.

ПРИНТЕРЫ — для распечатки текста и графических изображений. Принтеры бывают матричные, струйные и лазерные.

МЫШЬ — манипулятор для управления.

Центральный процессор.

Центральный процессор — основной рабочий компонент компьютера, выполняющий арифметические и логические операции, заданные программой, управляющий вычислительным процессом и координирующий работу всех устройств компьютера.

Центральный процессор содержит:

• арифметико-логическое устройство;

• шины данных и шины адресов;

• регистры;

• счетчики команд;

• кэш — очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);

• математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров.

В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называются многопроцессорными.

Память компьютера.

Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов — битов, объединенных в группы по 8 битов, которые называются байтами.

Различают два основных вида памяти:

1. Внутренняя — оперативная память, кэш-память и постоянная память.

Оперативная память (ОЗУ) — 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.

Постоянная память (ПЗУ) — энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Из ПЗУ можно только читать.

В ПЗУ записывают программы управления работой самого процессора (управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств).

Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти — модуль BIOS. ( базовая система ввода-вывода) — совокупность программ, предназначенных для: автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера; загрузки операционной системы в оперативную память.

2. Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения программ и данных, и целостность её содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер.

В состав внешней памяти компьютера входят: накопители на жёстких магнитных дисках; накопители на гибких магнитных дисках; накопители на компакт-дисках; накопители на магнитооптических компакт-дисках; накопители на магнитной ленте (стримеры) и др.

Гибкий диск, дискета — устройство для хранения небольших объёмов информации (от 360 кб до 2,88 Мб), представляющее собой гибкий пластиковый диск в защитной оболочке.

Накопитель на жёстких магнитных) или винчестерский накопитель — это наиболее массовое запоминающее устройство большой ёмкости, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые пластины — плоттеры, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Используется для постоянного хранения информации — программ и данных.

Винчестерские накопители имеют очень большую ёмкость: сотен Гб.

Винчестерский накопитель связан с процессором через контроллер жесткого диска.

Все современные накопители снабжаются встроенным кэшем, который существенно повышает их производительность.

CD-ROM состоит из прозрачной полимерной основы диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм.

Устройства ввода-вывода.

Клавиатура служит для ввода информации в компьютер и подачи управляющих сигналов. Она содержит стандартный набор алфавитно-цифровых клавиш и некоторые дополнительные клавиши — управляющие и функциональные, клавиши управления курсором, а также малую цифровую клавиатуру.

Курсор — светящийся символ на экране монитора, указывающий позицию, на которой будет отображаться следующий вводимый с клавиатуры знак.

Клавиатура имеет 12 функциональных клавиш, расположенных вдоль верхнего края. Нажатие функциональной клавиши приводит к посылке в компьютер не одного символа, а целой совокупности символов.

Функциональные клавиши могут программироваться пользователем.

Видеосистема компьютера состоит из трех компонент:

монитор (называемый также дисплеем); видеоадаптер; программное обеспечение (драйверы видеосистемы).

Видеоадаптер посылает в монитор сигналы управления яркостью лучей и синхросигналы строчной и кадровой развёрток. Монитор преобразует эти сигналы в зрительные образы. А программные средства обрабатывают видеоизображения — выполняют кодирование и декодирование сигналов, координатные преобразования, сжатие изображений и др

Монитор — устройство визуального отображения информации (в виде текста, таблиц, рисунков, чертежей и др.) (ЭЛТ и ЖК).

Разновидность монитора — сенсорный экран. Здесь общение с компьютером осуществляется путём прикосновения пальцем к определённому месту чувствительного экрана.

Принтер — печатающее устройство. Осуществляет вывод из компьютера закодированной информации в виде печатных копий текста или графики.

Основных видов принтеров три: матричные, лазерные и струйные.

Сканер — устройство для ввода в компьютер графических изображений. Создает оцифрованное изображение документа и помещает его в память компьютера.

Модем — устройство для передачи компьютерных данных на большие расстояния по телефонным линиям связи.

Принцип открытой архитектуры.

Персональным компьютером (ПК) называют сравнительно недорогой универсальный микрокомпьютер, рассчитанный на одного пользователя.

Персональные компьютеры обычно проектируются на основе принципа открытой архитектуры.

Принцип открытой архитектуры:

1.  Компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-изготовителями.

2.  Компьютер легко расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних расширительных гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями.

Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связан с шиной определённого типа — адресной, управляющей или шиной данных.

Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты.

Контроллеры и адаптеры — наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

Основные характеристики компьютера

1.  разрядность — определяется количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт,

2.  тактовая частота — важнейшая характеристика процессора, определяющая его быстродействие,

3.  объем оперативной памяти

Производительность компьютера является его интегральной характеристикой, которая зависит от частоты и разрядности процессора, объёма оперативной и внешней памяти и скорости обмена данными, она определяется в процессе тестирования по скорости выполнения определенных операций в стандартной программной среде.