2.Технические средства реализации информационных процессов
2.1.Классическая архитектура ЭВМ и принципы фон Неймана
Под архитектурой ЭВМ понимают наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие программное управление работой и взаимодействие основных ее функциональных узлов.
К архитектуре относят:
▪структуру памяти ЭВМ;
▪способы доступа к памяти и внешним устройствам;
▪возможности изменения конфигурации компьютера;
▪систему команд;
▪форматы данных;
▪организацию интерфейса.
Классические принципы построения архитектуры ЭВМ были предложены Джоном фон Нейманом в 1945 году и известны как «принципы фон Неймана». Они таковы:
▪использование двоичной системы представления данных;
▪принцип хранимой программы;
▪принцип последовательного выполнения действий;
▪принцип произвольного доступа к ячейкам оперативной памяти. Подавляющее большинство машин на сегодняшний день — это фон-ней-
мановские машины. Основными блоками фон-неймановской машины являются устройство управления, арифметико-логическое устройство, память, внешняя память и устройства ввода и вывода. Устройство управления и арифметико-ло- гическое устройство обычно объединяются в одно, называемое центральным процессором. На рисунке 3 приведена структура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана.
Внешнее запоминающее устройство (ВЗУ)
|
|
Арифметико- |
|
Управляющее |
|
|
Устройство |
|
|
|
Устройство |
||
ввода |
|
логическое |
|
устройство |
|
ввода |
|
|
устройство |
|
(УУ) |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)
Рис. 3. Структура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана
17
На схеме сплошные линии — это направление потоков информации, пунктирные — управляющие сигналы от процессора к остальным узлам ЭВМ.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет основную работу по переработке информации, хранимой в оперативной памяти. В нем выполняются арифметические и логические операции.
Устройство управления — часть центрального процессора, которое вырабатывает распределенную во времени и пространстве последовательность внутренних и внешних управляющих сигналов, обеспечивающих выборку и выполнение команд.
Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. У современных компьютеров запоминающее устройство включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и внешнее запоминающее устройство (ВЗУ).
ОЗУ хранит ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время. ОЗУ построено на электронных элементах, хранит информацию при наличии электропитания, т.е. энергозависимо, это быстрая память и небольшая по объему, по сравнению с внешней.
Вкомпьютере есть еще один вид внутренней памяти ПЗУ — постоянное запоминающее устройство. Оно энергонезависимо, предназначено только для чтения, меньше, чем ОЗУ.
ВЗУ предназначено для долговременного хранения информации, построено на магнитных и оптических носителях. Оно энергонезависимо, медленнее, по сравнению с ОЗУ, и большей емкости.
Впостроенной по рассмотренной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством — счетчиком команд в УУ. Наличие такого устройства также является характерным признаком архитектуры по фон Нейману.
2.2. Совершенствование и развитие внутренней структуры ЭВМ
В ходе эволюции ЭВМ, с созданием микропроцессоров, с появлением интеллектуальных контроллеров был совершен переход к шинной архитектуре ЭВМ. Процессор перестал быть центром конструкции, стало возможным реализовывать прямые связи между устройствами.
Архитектура современных ПК основана на магистрально-модульном принципе (рис. 4). В соответствии с этим принципом ПК состоит из отдельных заменяемых устройств, и эти устройства взаимодействуют между собой (обмениваются информацией) через системную (информационную) шину (магистраль). Шина содержит набор проводников для передачи сигналов и устройство (микросхемы) управления шиной. Она состоит из трех частей:
∙ шины данных, по которой передается информация,
18
∙шины адреса, определяющей, куда передаются данные,
∙шины управления, регулирующей процесс обмена информацией. Системная шина (магистраль) предназначена для передачи данных,
адресов, команд управления. Центральные устройства подсоединены к шине непосредственно, а периферийные — через устройства сопряжения (контроллеры (К) или адаптеры).
Наличие контроллеров внешних устройств стало важной отличительной чертой машин 3-го и 4-го поколений.
Центральный процессор выдает задание контроллеру, дальнейший обмен информацией производится без участи процессора, под управлением контроллера.
Описанную схему легко пополнять новыми устройствами — это свойство называют открытостью архитектуры.
Процессор |
|
Память |
|
Видеопамять |
|
|
|
|
|
|
|
|
-------- |
|
данных-------------------------------------------------------------- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Шина -------- |
|
адреса--------------------------------------------------------------- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
-------- |
управления--------------------------------------------------------- |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
К |
|
|
|
К |
|
|
К |
|
|
|
К |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Устройства |
|
Устройства |
|
Внешняя |
|
Сетевые |
|
||||||||
|
ввода |
|
вывода |
|
память |
|
устройства |
|
||||||||
Рис. 4. Архитектура ЭВМ, основанная на магистрально-модульном принципе
2.3. Базовая аппаратная конфигурация персонального компьютера
Персональный компьютер — это универсальная техническая система. Состав оборудования компьютера (конфигурацию) можно изменять. Однако существует понятие базовой конфигурации, которая наращивается в соответствии с конкретными потребностями. Понятие базовой конфигурации может меняться. В настоящее время состав базовой конфигурации включает: системный блок, монитор, клавиатуру, мышь.
19
Системный блок — это основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называются внутренними. Устройства, подключенные снаружи к системному блоку, называются внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, называют
периферийными.
По внешнему виду системные блоки различают формой корпуса (горизонтальные и вертикальные, полноразмерные, среднеразмерные, малоразмерные).
Кроме формы, для корпуса важным параметром является форм-фактор. От него зависят требования к размещаемым устройствам. Стандартом корпуса ПК в настоящее время является форм-фактор АТХ (прежде был АТ). Формфактор должен быть обязательно согласован с форм-фактором главной (системной) платы компьютера — материнской платы.
Корпуса персонального компьютера поставляются вместе с блоком питания, поэтому одним из важных параметров корпуса является мощность блока питания.
Монитор — это устройство визуального представления данных, одно из основных устройств вывода. Его основными потребительскими характеристиками являются:
∙тип (на основе электронно-лучевой трубки и жидкокристаллические, газоплазменные, LED-дисплеи (светодиодные матрицы));
∙размер экрана по диагонали, измеряется в дюймах (14, 15, 17, 21 и т.д.);
∙размер зерна экрана – расстояние между двумя соседними люминофорами, оптимальным считается 24–26 мм;
∙максимальная частота регенерации (обновления) изображения. Для ЭЛТ-мониторов нормативной является частота 85 Гц, для ЖК-монито- ров — 75 Гц;
∙класс защиты. Он определяется стандартом, которому соответствует монитор с точки зрения требований техники безопасности. Международные стандарты: MPR-II, TCO-92, TCO-95, TCO-99, TCO-2003. Самые
жесткие нормы по параметрам TCO-2003 (яркость, контрастность, мерцание, антибликовые свойства покрытия).
Клавиатура — это клавишное устройство управления персональным компьютером, которое служит для ввода алфавитно-цифровых (знаковых) данных и команд управления. Комбинация монитора и клавиатуры обеспечивает простейший интерфейс пользователя.
Клавиатура относится к стандартным средствам персонального компьютера. Ее основные функции не нуждаются в поддержке специальными системными программами (драйверами). Необходимое программное обеспечение для начала работы с компьютером уже имеется в микросхеме ПЗУ в составе базовой системы ввода-вывода (BIOS), и потому компьютер реагирует на нажатия клавиш сразу после включения.
20