Лекции по «Информатике» 2 курс (стр. 12 )

Микропроцессор выполняет две основные функции. Во-первых, он осуществляет вычисления согласно программе, хранящейся в оперативной памяти. Во-вторых, МП обеспечивает общее управление компьютером и вычислительными процессами. Соответственно, в МП имеются арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ), известные вам по вычислительной машине фон Неймана (см. §8 «Архитектура ЭВМ»).

Элементарные операции микропроцессор выполняет по тактам. Чтобы осуществить то или иное действие, несложное с точки зрения пользователя, микропроцессор должен выполнить множество элементарных операций. Например, даже сложение двух чисел требует нескольких тактов работы МП.

Продолжительность одного такта работы МП задается тактовой частотой. Измеряется тактовая частота в мегагерцах или сокращенно МГц. Один мегагерц отвечает 1 миллиону колебаний в секунду или в случае микропроцессора - 1 миллиону операций в секунду.

Тактовая частота генерируется электронным устройством, называемым тактовым генератором. Чем выше тактовая частота, тем меньше длительность такта и тем выше быстродействие МП.

Микропроцессор изготавливается на полупроводниковом кристалле кремния в виде большой интегральной схемы. Напомним, что БИС характеризуются очень плотной «упаковкой» элементов в этих схемах, благодаря чему на кристалле площадью около 1 см2 может быть размещено огромное число элементов: транзисто­ров, конденсаторов и проч. Микросхема процессора Intel 8088, применявшегося в первых ПК, содержала одних транзисторов 3,5 тысячи. Схемы современных процессоров Pentium вмещают уже свыше 3 миллионов транзисторов.

Помимо быстродействия, важно то, что умеет делать МП. Нынешние микропроцессоры «обучены» не только арифметическим и логическим операциям, они умеют выполнять десятки и сотни других важных операций. Скорость выполнения этих операций, называемых типовыми, достигает десятков и сотен миллионов операций в секунду. Итак, МП характеризуется тактовой частотой и набором выполняемых операций. Еще одной важной характеристикой процессоров является их разрядность.

Напомним, что процессор оперирует с двоичными числами, а двоичные числа представляются в виде последовательности 0 и 1, например, 1011 или 10011010. Каждая цифра в двоичном числе записывается в свой разряд. Всего в числе 1011 имеется четыре разряда, а в 10011010- восемь разрядов. Разрядность МП - это количество разрядов в двоичных числах, которые обрабатывает процессор за один такт.

Двоичные числа, которые обрабатываются МП в течение одного такта и которыми МП обменивается с памятью, называются словами. Слово может составлять байт или 2 байта. Микропроцессоры первых ПК являлись 8-разрядными, все современные модели МП уже 32-разрядные. В настоящее время существуют и 64-разрядные МП и выше.

В компьютерах типа IBM PC используются МП фирмы Intel, а также совместимые с ними модели МП других фирм (AMD, Cyrix, IBM и др.). Большинство выпускаемых сейчас процессоров для IBM PC-совместимых компьютеров основано на микропроцессорах Pentium, Celeron.

Разрядность МП - это количество разрядов в двоичных числах, которые обрабатывает процессор за один такт.

Двоичные числа, которые обрабатываются МП в течение одного такта и

которыми МП обменивается с памятью, называются словами. Слово может составлять  байт или 2 байта. Микропроцессоры первых ПК являлись 8-разрядными, все современные модели МП уже 32-разрядные. В настоящее время существуют и 64-разрядные МП.

Какие модели микропроцессоров чаще всего применяются в ПК? В компьютерах типа IBM PC используются МП фирмы Intel, а также совместимые с ними модели МП других фирм (AMD, Cyrix, IBM и др.). Приведем перечень МП фирмы Intel в порядке возрастания производительности: Intel 8088, 80286, 80386 (SX и DX), 80486 (SX, SX2.DX, DX2 и DX4), Pentium, Celeron, Pentium II, MMX. Большинство выпускаемых сейчас процессоров для IBM PC-совместимых компьютеров основано на микропроцессорах Pentium, Celeron.

Память

На материнской плате размещаются устройства памяти, которые предназ­начены для хранения информации. Напомним, что любая информация записывается в память компьютера в виде двоичных чисел 0 и 1. В таком виде представляются программы и различные данные: документы, картинки, звук и т. д.

Размещение информации в памяти называется записью, а  получение информации из памяти - чтением или считыванием.

При записи предыдущие данные, хранящиеся в ячейках памяти, стираются.

Записанные данные будут храниться в ячейках до тех пор, пока поверх них в те же ячейки не будут записаны новые данные. Сам процесс записи или считывания занимает очень небольшой отрезок времени, меньший сотни наносекунд (1 нано-секунда - миллиардная доля секунды). То есть устройства оперативной памяти характеризуются высоким быстродействием. Быстродействие - это очень важная  характеристика памяти, от нее зависят скорость и производительность работы всего компьютера.

Другой важной характеристикой памяти является ее объем, или, другими словами, емкость. Эта величина измеряется в байтах. Почему именно в байтах, а не в битах - на этот вопрос вы можете уже ответить сами. Из предыдущего пункта вы знаете, что микропроцессор за один такт своей работы обрабатывает слово, состоящее из 1 байта. Такими же порциями информации (кратными 1 байту) МП обменивается с памятью. Запоминающие устройства конструктивно построены так, что физическая ячейка памяти способна воспринять порцию информации в 1 байт.

Этой емкости ячейки памяти достаточно, например, для записи в нее символа, вводимого с клавиатуры. Таким образом, можно сказать, что память компьютера организована по байтам.

Физически память выполнена в виде отдельных микросхем - запоминающих устройств (ЗУ), подключаемых к материнской плате с помощью специальных разъемов. ЗУ подразделяются на постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) и оперативные запоминающие устройства (ОЗУ). Первый тип этих устройств (ПЗУ) предназначен только для считывания и используется для долговременного хранения данных. Информация в ПЗУ записывается обычно производителем компьютера и служит, например, для начальной загрузки компьютера после его включения, для управления экранным изображением и т. д.

ОЗУ, или просто оперативная память, является важнейшим элементом ПК. Именно из нее микропроцессор берет программы и исходные данные, в нее он также записывает полученный результат. ОЗУ изготавливаются в виде БИС, обеспечивающих различную информационную емкость (1, 4, 8,16, 32, 64 Мбайта и т. д.). Современные ПК ориентированы на работу с мощным программным обеспечением, которое требует от 32 до 128 Мбайт ОЗУ.

.В процессе работы компьютера данные могут быть записаны в любую разрешенную ячейку ОЗУ, а также могут быть считаны из любой ячейки. То есть устройства оперативной памяти обеспечивают доступ к любой ячейке памяти в любой момент времени. Поэтому ОЗУ называют также памятью с произвольным доступом (по-английски Random Access Memory, или сокращенно RAM).

В отличие от ОЗУ содержимое устройств постоянной памяти (ПЗУ) не может быть изменено компьютером. О программах и данных, записанных в ПЗУ, говорят, что они «прошиты» в ячейки памяти изготовителем компьютера. Этим подчеркивается то обстоятельство, что постоянная память предназначена только для считывания информации. Поэтому ПЗУ обозначают термином ROM (Read Only Memory - память только для чтения).

Системная шина

Шиной в электротехнике называется толстый медный провод, предназ­наченный для передачи больших токов. В компьютерной технике словом «шина» обозначают устройство для связи между собой нескольких узлов компьютера. Связь и обмен информацией всех узлов компьютера организуется с помощью системной шины. Системная шина называется также магистралью.

Системная шина связывает, в первую очередь, МП со всеми узлами компьютера. Кроме этого, через системную шину-магистраль узлы связываются между собой. Магистраль включает в себя следующие три шины.

Шина управления, которая служит для управления со стороны МП всеми системами и процессами, происходящими в компьютере.

Шина адреса (адресная шина), с помощью которой осуществляется выбор нужной ячейки памяти, а также портов ввода-вывода.

Шина данных, по которой информация передается от МП к какому-либо устройству либо, наоборот, от устройства к МП

Рассмотрим схему обмена информацией между МП и ОЗУ. Эту схему можно представить, как показано на рисунке. Последовательность работы этой схемы очень проста. Процессор сигнализирует по шине управления в ОЗУ о том, что он собирается считать данные, расположенные по определенному адресу (то есть в определенной ячейке). ОЗУ в ответ сообщает, что эти данные доступны. Затем МП по адресной шине сообщает адрес нужных ячеек в памяти, а по шине данных считывает информацию из ячеек.

Опуская детали конструкций шин, можно сказать, что каждая шина - это набор электрических соединений-проводов. Адресная шина, например, для МП Intel 8088 состоит из 20 параллельных проводов - по одному для каждого бита. То есть адресная шина для этого МП является 20-разрядной.

Дисководы

Для хранения информации служат различного рода накопители на дисках. Практически все IBM PC-совместимые компьютеры имеют приводы, предназначенные для работы с жесткими и гибкими магнитными Дисками. Эти приводы размещаются в системном блоке ПК в специально отведенных для них отделениях. Двигатель привода вращает магнитный диск и магнитные головки производят запись либо считывание информации с диска.

Порты

Подключение к ПК внешних устройств (монитора, мыши, клавиатуры, принтера, модема и т. д.) выполняется через специальные интерфейсы, то есть устройства сопряжения. Эти интерфейсы называются также портами ввода-вывода. Соответствующие разъемы для подключения располагаются на задней стенке системного блока. Существуют последовательные и параллельные порты, которые различаются способом передачи данных. Для последовательного порта характерна последовательная во времени передача данных (бит за битом), а для параллельного - одновременная передача нескольких доз битов  (порции по 8 битов, то есть по одному байту).