Информатика. Теория и практика_Острейковский В.А_2008

реализуемого алгоритма, количества исходных данных и т. п. Поэтому память должна вмещать достаточно большое количе- ство информации, т. е. должна иметь большую емкость. С другой стороны, память должна обладать достаточным быстродействием, соответствующим быстродействию других устройств ЭВМ. Чем больше емкость памяти, тем медленнее доступ к ней, так как время доступа (т. е. быстродействие) определяется временем, необходимым для выборки из памяти или записи в нее информации. Поэтому в ЭВМ существует несколько запоминающих устройств, различающихся емкостью и быстродействием (табл. 3.1).

				Таблица 3.1
	Виды запоминающих устройств
Устройства памяти		Время доступа, с		Емкость, бит
Регистры		(2—20) 10–9		103—104
Оперативная память		(0,2—20) 10–6		106—108
Внешняя память		10—100		1011—012

Оперативная память собирается на ферритовых сердечниках или полупроводниковых микросхемах и состоит из отдельных ячеек.

Периферийные устройства (ÏÓ). В их число входят устрой-

ства внешней памяти, предназначенные для долговременного хранения данных большого объема и программ, и коммуникационные устройства, предназначенные для связи ЭВМ с внешним миром (с пользователем, другими ЭВМ и т. д.). Обмен данными с внешним устройством осуществляется через порты вво- да-вывода. «Ïîðò» (îò àíãë. port — ворота, дверь, отверстие) — абстрактное понятие. По аналогии с ячейками памяти порты можно рассматривать как ячейки, через которые можно записать информацию в ПУ или, наоборот, прочитать ее из него. Так же как и ячейки памяти, порты имеют уникальные номера — адреса портов ввода-вывода.

Система шин. Объединение функциональных блоков в ЭВМ осуществляется посредством следующей системы шин: шины данных, по которой осуществляется обмен информацией между

141

блоками ЭВМ; шины адреса, используемой для передачи адресов (номеров ячеек памяти или портов ввода-вывода, к которым производится обращение), и шины управления, которая служит для передачи управляющих сигналов. Совокупность этих трех шин называется системной шиной, системной магистралью

èëè системным интерфейсом. Состав и назначение шин, правила их использования, виды передаваемых по шине сигналов

èдругие характеристики шины могут существенно различаться

óразных видов ЭВМ.

Однако есть принципиально общие закономерности организации шин. Шина состоит из отдельных проводников (линий). Сигналы по линиям шины могут передаваться либо импульсами (наличие импульса соответствует логической единице, а отсутствие импульса — нулю), либо уровнем напряжения (например, высокий уровень — логическая единица, низкий — нуль). Шириной шины называется количество линий (проводников), входящих в состав шины. Ширина шины адреса определяет размер адресного пространства ЭВМ. Если, например, количество линий адреса, используемых для адресации памяти, равно 20, то общее количество адресуемых ячеек памяти составит 20, т. е. немногим более 1 млн (точнее — 1 048 576) ячеек. Обычно на шине в любой момент можно выделить два активных устройства. Одно из них называется задатчиком и инициирует операцию обмена данными (формирует адреса и управляющие сигналы), другое — исполнителем и выполняет операцию (формирует адреса и управляющие сигналы и принимает или передает данные). В большинстве случаев задатчи- ком является ЦП. Память всегда выступает только в качестве исполнителя.

Функционирование ЭВМ с шинной структурой можно описать следующим обобщенным алгоритмом (рис. 3.3):

1. Инициализация: после включения ЭВМ или операции сброса в регистры центрального процессора заносятся некоторые начальные значения. Обычно в процессе инициализации в память ЭВМ помещается программа, называемая первичным загрузчиком. Основное назначение первичного загрузчика — загрузить в память с устройства внешней памяти операционную систему. Эта программа может быть размещена в энергонезависимом устройстве памяти или автоматически считываться

142

	с некоторого устройства внешней
	памяти. Мы не будем здесь подроб-
	но останавливаться на механизмах
	загрузки операционной системы,
	тем более что они могут существен-
	но различаться для разных типов
	ЭВМ. Пока будем полагать, что в
	памяти некоторым образом оказа-
	лась первая из подлежащих выпол-
	нению программ. Программному счет-
	чику присваивается начальное зна-
	чение, равное адресу первой коман-
	ды программы, указанной выше.
	2. Центральный процессор про-
	изводит операцию считывания
	команды из памяти. В качестве ад-
	реса ячейки памяти используется
	содержимое программного счетчика.
	3. Содержимое считанной ячей-
	ки памяти интерпретируется про-	Ðèñ. 3.3. Обобщенный
	цессором как команда и помещает-
	ся в регистр команды. Устройство	алгоритм
		фоннеймановской ЭВМ
	управления приступает к интерпре-
	тации прочитанной команды. По

полю команды операции из первого слова команды устройство управления определяет ее длину и, если это необходимо, организует дополнительные операции считывания, пока вся команда полностью не будет прочитана процессором. Вычисленная длина команды прибавляется к исходному содержимому программного счетчика, и когда команда полностью прочитана, программный счетчик будет хранить адрес следующей команды.

4.По адресным полям команды устройство управления определяет, имеет ли команда операнды в памяти. Если это так, то на основе указанных в адресных полях режимов адресации вычисляются адреса операндов и производятся операции чтения памяти для считывания операндов.

5.Устройство управления и арифметико-логическое устройство выполняют операцию, указанную в поле кода операции

143

команды. Во флаговом регистре процессора запоминаются признаки результата операции (равно нулю или нет, знак результата, наличие переполнения и т. д.).

6. Если это необходимо, устройство управления выполняет операцию записи, для того чтобы поместить результат выполнения команды в память.

7. Если последняя команда не была командой ОСТАНОВИТЬ ПРОЦЕССОР, то описанная последовательность действий повторяется, начиная с шага 1. Описанная последовательность действий центрального процессора с шага 1 до шага 6 на-

зывается циклом процессора.

Большинство мини- и микроЭВМ имеют шинную организацию, и их поведение описывается приведенным выше алгоритмом. В различных конкретных ЭВМ реализация этого алгоритма может несколько отличаться. Так, например, по-разному может осуществляться синхронизация задатчиков и исполнителей, процессор может считывать из памяти не одну команду, а сразу несколько и хранить их в специальной очереди команд. Команды и данные, часто используемые программой, могут храниться не в основной памяти ЭВМ, а в быстродействующей буферной памяти и т. д. Таким образом, функционирование любой фон-неймановской ЭВМ описывается алгоритмом, близким к рассмотренному выше, и представляет собой последовательность достаточно простых действий.

3.1.5.Персональные ЭВМ

Ñ1975 г. в США было начато серийное производство персонального компьютера, или ПЭВМ, или ПК. Это событие сегодня в мире часто называют второй информационной революцией (первой информационной революцией считается появление печатного станка и книгопечатания — 1445 г.). ПК появился на базе мини- и микроЭВМ и обеспечивает персональные вычисления, т. е. режим работы специалиста в данной предметной области, непосредственно на рабочем месте. За дисплей ПЭВМ смог сесть пользователь — непрофессионал в программировании. С 1981 г. стали выпускаться ПЭВМ, имеющие блочно-мо- дульную конструкцию. Эти простые в эксплуатации и сравни-

144

тельно дешевые машины предназначались для потребителей, не обладающих знаниями в области вычислительной техники и программирования. Широкое распространение мини-ЭВМ в начале 1970-х гг. определялось необходимостью приблизить компьютер к пользователю. Мини-ЭВМ устанавливались непосредственно на предприятиях и в организациях, где использование больших ЭВМ было экономически невыгодным.

Таким образом, ПК — это компьютер, предназначенный для индивидуального использования. В настоящее время это мощный универсальный компьютер; он успешно работает как дома, так и на рабочих местах в офисах, легко подключается к различным вычислительным сетям.

Основные критерии отнесения компьютера к классу ПК — малые размеры, отсутствие необходимости в обслуживании, низкая цена, функциональная универсальность и простота модернизации.

Краткая характеристика и классификация ПК. Так как технической основой ПК служит микропроцессор (МП), то развитие технологии МП определило смену поколений ÝÂÌ:

—8-разрядный МП (1975—1980 гг.) — первое поколение;

—16-разрядный ÌÏ (1981—1985 ãã.) — второе поколение;

—32-разрядный МП (1986—1992 гг.) — третье поколение;

—64-разрядный МП (1993 г. — по настоящее время) — четвертое поколение.

Важную роль в развитии ПЭВМ сыграло появление компьютера IBM РС, произведенного корпорацией IВМ (США) на базе МП Intel-8086 в 1981 г. Этот персональный компьютер занял ведущее место на рынке ПЭВМ. Его основное преимущество — так называемая открытая архитектура, благодаря которой пользователи могут расширять возможности приобретенной ПЭВМ, добавляя различные периферийные устройства и модернизируя компьютер. В дальнейшем другие фирмы начали создавать свои ПЭВМ, но компьютер IВМ РС стал как бы стандартом класса ПЭВМ. В наши дни около 85 % всех продаваемых ПЭВМ базируется на архитектуре IВМ РС.

По н а з н а ч е н и ю ПЭВМ классифицируют на бытовые, общего назначения и профессиональные.

Бытовые ПЭВМ предназначены для массового потребителя, поэтому они должны быть достаточно дешевыми, надежны-

145

ми и иметь, как правило, простейшую базовую конфигурацию. Бытовые ПЭВМ используют в домашних условиях для развле- чений (видеоигры), для обучения и тренировки, управления бытовой техникой. Вместе с тем архитектура этих машин позволяет подключать их к каналам связи, расширять набор периферийного оборудования. При некоторой модернизации эти модели (например, отечественную ПЭВМ «Амата») можно применять для индивидуальной обработки текста, решения небольших научных и инженерных задач. Бытовые ПЭВМ снабжены пакетом игр, программным обеспечением локальной сети и др. Фирмы предлагают за дополнительную плату нарастить комплектность компьютера накопителями на жестких магнитных дисках (НЖМД) типа «винчестер», музыкальной картой, монитором и т. д. Модель «Амата» легко превращается в ПЭВМ общего назначения.

ÏÝÂÌ общего назначения применяются для решения научнотехнических и экономических задач, для обучения и тренировки. Машины этого класса получили наибольшее распространение на мировом рынке. Они обладают достаточно большой емкостью оперативной памяти, имеют внешнюю память на гибких и жестких магнитных дисках, собственный дисплей. Интерфейсы позволяют подключать большое количество периферийных устройств, средства для работы в составе вычислительных сетей.

С ПЭВМ общего назначения работают прежде всего поль- зователи-непрофессионалы. Поэтому такие ПЭВМ снабжены развитым программным обеспечением, включающим операционные системы, трансляторы с алгоритмических языков, пакеты прикладных программ. В состав аппаратуры входят устройства для вывода как текстового, так и графического материала, принтеры с высоким качеством печати.

Профессиональные ПЭВМ применяются в научной сфере, для решения сложных информационных и производственных задач, где требуются высокое быстродействие, эффективная передача больших массивов информации, достаточно большая емкость оперативной памяти. Потребителями профессиональных ПЭВМ, как правило, являются профессионалы-програм- мисты, поэтому программное обеспечение должно быть достаточно богатым, гибким, включать инструментальные программные средства.

146

Благодаря подключению широкой номенклатуры периферийных устройств, функциональные возможности ПЭВМ зна- чительно расширяются. Они могут работать в многозадачном режиме, с алгоритмическими языками высокого уровня, в составе вычислительных сетей. По своим функциональным возможностям многопроцессорные профессиональные ПЭВМ не только приближаются к большим ЭВМ предыдущего поколения, но и вполне могут конкурировать с ними.

В настоящее время появился новый признак классификации ПЭВМ — по к о н с т р у к т и в н о м у и с п о л н е н и ю, связанный с микроминиатюризацией изделий. Результатом снижения массы и уменьшения габаритов стали компьютеры LAPTOP («наколенный» компьютер), NOTEBOOK (компью- тер-«блокнот») и HANDHELD («ручной» компьютер: от hand — рука и held — держать).

В LAPTOP-компьютере клавиатура и системный блок выполнены в одном корпусе, который сверху, как крышкой, закрывается жидкокристаллическим дисплеем, неразъемносоединенным со своим электронным основанием. Соединительные провода между дисплеем и ЭВМ скрыты в корпусе. Пользователь может легко переносить компьютер и держать его на коленях. Эти модели уступают по своим техническим параметрам профессиональным ПЭВМ. Они построены на базе МП i80386, имеют встроенные накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) и НЖМД. Компьютеры класса LAPTOP не должны весить более 3,5 кг.

Модели NOTEBOOK имеют размер листа бумаги стандарта А4 (297 210), снабжены неполной клавиатурой (около 80 клавиш), имеют НЖМД (например, дисковод емкостью от 80 Гбайт) и НГМД. В комплекте с NOTEBOOK применяются модемы или факс-модемы, подключаемые к компьютерам и телефонной сети. Компьютеры NOTEBOOK могут использоваться в деловых поездках. Они не требуют места на рабочем столе, их можно хранить их в ящике для бумаг, в портфеле.

Размер моделей HANDHELD — меньше листа бумаги формата А4 (например, размер модели Hewlett Packard 95 LX составляет 160 136 25 мм). Такой компьютер всегда под рукой (в кармане), в готовом к работе состоянии. Эти модели могут работать независимо от электросети. При автономной работе

147

программы вводятся с помощью твердой карточки ROM CARD большой емкости. (Аббревиатура ROM образована от Read Only Memory — память только для чтения.) Карточки можно перепрограммировать. Для хранения результатов расчетов, введенного текста, составленных электронных таблиц и других результатов работы пользователь применяет ROM CARD размером 2 5 мм со встроенной батарейкой, что позволяет вставлять их

âспециальные отверстия в корпусе ПК для чтения с них программ, данных или записи результатов работы. По мере надобности результаты работы можно перенести по кабелю в настольный компьютер. В конструкциях моделей HANDHELD предусмотрен гораздо больший объем постоянной памяти, чем

âконструкциях настольных ПЭВМ.

Миниатюрные компьютеры можно включать в вычислительные сети без проводов (с помощью радио), что потребует минимальных затрат. Такая технология получила название полевой компьютеризации (Field Computing).

3.1.6. Характеристика основных блоков персональных компьютеров

ПЭВМ включает три основных устройства: системный блок, клавиатуру и дисплей (монитор). Однако для расширения их функциональных возможностей можно подключить различ- ные дополнительные периферийные устройства, в частности принтеры, накопители на магнитной ленте (стримеры), различ- ные манипуляторы (мышь, джойстик, трекбол, световое перо), устройства оптического считывания изображений (сканеры), графопостроители (плоттеры) и др.

Такие устройства подсоединяют к системному блоку с помощью кабелей через специальные гнезда (разъемы), которые размещены обычно на его задней стенке. В некоторых моделях ПЭВМ при наличии свободных гнезд дополнительные устройства вставляются непосредственно в системный блок (например, модем для обмена информацией с другими ПЭВМ через телефонную связь). ПЭВМ, как правило, имеет модульную структуру (рис. 3.4). Все модули связаны с системной магистралью (шиной).

148

Дисплей

Микропроцессор

	ÀËÓ
			шиной
			управленияСхемы
	Регистры
	ÓÓ

Телефонная

линия

Джойстик

Ìûøü

Модем

Световое перо

Память

экрана

Интерфейс

Интерфейсы

Последова-

ÏÏ

ÎÏ

манипуляторов

других ВУ

тельный

интерфейс

Системная магистраль (шина)

Контроллер		Контроллер		Контроллер		Параллельный		Сетевой
						интерфейс		адаптер

ÍÃÌÄ	ÍÆÌÄ	ÍÌË	ÏÓ	К другим

вычислительным

системам

Системный блок

Интерфейс

Клавиатура

Ðèñ. 3.4. Структурная схема ПЭВМ с периферийными устройствами: ПП — постоянная память; ОП — оперативная память; ВУ — внешнее устройство; НГМД — накопитель на гибких магнитных дисках; НЖМД — накопитель на жестких магнитных дисках; НМЛ — накопитель на магнитной ленте; ПУ — печатающее устройство

Системный блок. Это главный блок ПЭВМ, он включает в свой состав центральный микропроцессор, сопроцессор, модули оперативной и постоянной памяти, контроллеры, накопители на магнитных и оптических дисках и другие функциональные модули. Набор модулей определяется типом ПЭВМ. Пользователи по своему желанию могут изменять конфигурацию ПЭВМ, подключая дополнительные периферийные устройства. Очень часто при описании системного блока применяется понятие «материнская (системная) плата»; это печатная плата, на которой установлены основные компоненты ПК:

149

МП, память (постоянная, оперативная, видео), адаптеры вводавывода и др. Системная плата определяет шины, используемые в ПК. Печатная плата — это пластина из диэлектрика (например, из текстолита), на которой специальными методами, например травлением или электрохимическим осаждением, создают проводники, соединяющие электронные устройства (транзисторы, интегральные схемы и др.), закрепленные на этой пластине.

В системный блок может быть встроено звуковое устройство, с помощью которого пользователю удобно следить за работой машины, вовремя заметить сбой в работе отдельных устройств или необычные ситуации, возникающие при решении задачи на ПЭВМ. Со звуковым устройством часто связан таймер, позволяющий вести отсчет времени работы машины, фиксировать календарное время, указывать на окончание заданного промежутка времени при выполнении той или иной задачи.

Микропроцессор (МП). Центральный микропроцессор является ядром любой ПЭВМ. Он выполняет функции обработки информации и управления работой всех блоков ПК. Конструктивно МП, как правило, выполнен на одном кристалле (на одной сверхбольшой интегральной схеме (СБИС)). В состав МП входят:

—арифметико-логическое устройство;

—центральное устройство управления;

—внутренняя регистровая память;

—кэш-память;

—схема обращения к оперативной памяти;

—схема управления системной шиной и др.

Рассмотрим структуру и функционирование микропроцессора на примере разработанной фирмой Intel модели i486.

ÀËÓ выполняет логические операции, а также арифметиче- ские операции в двоичной системе счисления и в двоично-де- сятичном коде, причем арифметические операции над числами, представленными в формате с плавающей точкой, реализуются в специальном блоке. В некоторых конфигурациях с этой целью используется арифметический сопроцессор (например, i80387). Он имеет собственные регистры данных и управления, работает параллельно с центральным МП, обрабатывает данные, представленные в формате с плавающей точкой.

150