- •Тема 2. Технические средства реализации информационных процессов
- •2.1. Принципы построения компьютера
- •2.2. Поколения компьютеров
- •2.3. Основные виды архитектуры эвм
- •2.4. Классификация вм
- •2.5. Устройства персонального компьютера
- •2.5.1. Процессор
- •2.5.2. Системная шина
- •Запоминающие устройства
- •Процессор
- •Основная память
- •2.6. Основные устройства ввода данных
- •2.6.1. Клавиатура и манипуляторы
- •2.6.2. Устройства оптического считывания и сенсорные экраны
- •Основные устройства вывода
- •2.7.1. Видеосистема компьютера
- •2.7.2. Принтеры и графопостроители
- •2.8. Другие устройства
2.5. Устройства персонального компьютера
В основе компьютеров классической архитектуры лежит магистрально-модульный принцип. Согласно последнему ПК строится из набора устройств и блоков-модулей. Каждый модуль реализует какую-либо законченную функцию и обладает свойством независимости от других модулей. Модули объединяются в необходимую конфигурацию ПК (компьютер, как сборный конструктор, комплектуется из отдельных модулей, представляющих логические узлы компьютера). Соединение модулей производят с помощью шин (электрических цепей) для передачи по ним сигналов (отдельные модули соединены с процессором общей системной шиной - магистралью). Совокупность шин, связывающих два модуля, и алгоритм, определяющий порядок обмена информацией между ними, называется интерфейсом (interface от inter - между, и face - лицо). Компьютерный интерфейс - это совокупность стандартных физических, программных и конструктивных средств, обеспечивающих объединение различных компьютерных компонентов в единую систему. Физические средства обеспечивают совместимость амплитудных и временных параметров электрических сигналов. Программные средства обеспечивают логические правила и форматы обмена данными. Конструктивные средства – это, главным образом, типы разъемов, обеспечивающих электрическую стыковку компонентов, а также стандарты на габаритно-установочные размеры. Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру (микропроцессор, постоянная и оперативная память, кэш-память, интерфейсные схемы шин и др.), размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской, и которая является основной в системном блоке.
2.5.1. Процессор
Процессор (CPU) – это функционально законченное программно-управляемое устройство обработки информации (выполненное в виде одной или нескольких больших или сверхбольших интегральных схем), центральная часть ПК, предназначенная для управления работой всех блоков машины. В состав микропроцессора входят:
-
устройство управления (УУ) - формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления, обусловленные спецификой выполняемой операции, а также формирует адреса ячеек памяти и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ;
-
арифметико-логическое устройство (АЛУ) - предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор);
-
микропроцессорная память (МПП) - служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях (обеспечивает высокое быстродействие машины);
-
регистры - применяются для хранения различных адресов, признаков результатов выполнения операций, режимов работы ПК и др.;
-
кэш-память - высокоскоростная память, позволяющая увеличить скорость выполнения операций;
-
интерфейсная система микропроцессора - реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК (включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной).
Количество фирм, разрабатывающих и производящих процессоры для IBM-совместимых компьютеров, невелико. В настоящее время известны: Intel, Cyrix, AMD и др.
Производительность CPU характеризуется следующими основными параметрами:
-
степенью интеграции;
-
тактовой частотой;
-
внутренней и внешней разрядностью;
-
памятью, к которой может адресоваться CPU.
Степень интеграции микросхемы показывает, сколько транзисторов (самый простой элемент любой микросхемы) может поместиться на единице площади. Для процессора Pentium Intel эта величина составляет приблизительно 3 млн. на 3,5 кв.см, у Pentium Pro – 5 млн.
Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет за одну секунду (измеряется в МГц). Тактовая частота определяет быстродействие процессора.
Для процессора различают внутреннюю (собственную) тактовую частоту процессора (с таким быстродействием могут выполняться внутренние простейшие операции) и внешнюю (определяет скорость передачи данных по внешней шине).
Внутренняя разрядность процессора определяет, какое количество битов он может обрабатывать одновременно при выполнении арифметических операций (в зависимости от поколения процессоров – от 8 до 32 битов).
Внешняя разрядность процессора определяет сколько битов одновременно он может принимать или передавать во внешние устройства (от 16 до 64 и более в современных процессорах).
Количество адресов ОЗУ, доступное процессору, определяется разрядностью адресной шины.
С бурным развитием мультимедиа-приложений перед разработчиками процессоров возникли проблемы увеличения скорости обработки огромных массивов данных, содержащих графическую, звуковую или видео информацию. В результате возникли дополнительно устанавливаемые специальные процессоры DSP, а затем появились разработанные на базе процессоров Pentium так называемые MMX-процессоры (первый из них – Pentium P55C).
Кроме того, к основным характеристикам процессора относят: количество регистров, систему команд, объем кэш-памяти.
В современных персональных компьютерах разных фирм применяются процессоры двух основных архитектур:
-
МП типа CISC (Complex Instruction Set Computing) с полным набором команд;
-
МП типа RISC (Reduced Instruction Set Computing) с сокращенным набором команд;
Весь ряд процессоров фирмы Intel, устанавливаемых в персональные компьютеры IBM, имеют архитектуру CISC, а процессоры Motorola, используемые фирмой Apple для своих персональных компьютеров, имеют архитектуру RISC. Обе они имеют свои преимущества и недостатки. Так CISC-процессоры имеют обширный набор команд (до 400), из которых программист может выбирать команду, наиболее подходящую в конкретном случае. Недостатком этой архитектуры является то, что большой набор команд усложняет внутреннее устройство управления процессором, увеличивает время исполнения команды на микропрограммном уровне. Команды имеют различную длину и время исполнении.
RISC-архитектура имеет ограниченный набор команд и каждая команда выполняется за один такт работы процессора. Небольшое число команд упрощает устройство управления процессора. К недостаткам RISC-архитектуры можно отнести то, что если требуемой команды в наборе нет, программист вынужден реализовать ее с помощью нескольких команд из имеющегося набора, увеличивая размер программного кода.
Напомним, что ЭВМ может иметь несколько процессоров. Многопроцессорные системы, ориентированные на достижение сверхбольших скоростей работы, содержат десятки или сотни сравнительно простых процессоров с упрощенными блоками управления. Такие вычислительные системы, их специализация на определенном круге задач обеспечивают эффективное распараллеливание вычислений.
Контроллер - высокая скорость обработки информации процессором и медленная работа устройств ввода-вывода (в большинстве своем содержащих механические движущиеся части) породило проблему малоэффективной работы ПК в целом (процессор вынужден простаивать в ожидании информации от внешних устройств). Решением ее было освобождение центрального процессора от функций обмена информацией и передаче их специальным электронным схемам управления работой внешних устройств - контроллерам внешних устройств. Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой соответствующего внешнего устройства по специальным встроенным программам. Применение контроллеров позволило использовать для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ принципиально новое устройство - общую шину, наличие которой позволяет изменить организацию обмена информацией между ОЗУ и внешним устройством. Передача информации протекает под управлением контроллера без использования аппаратно-программных средств центрального процессора. Это, во-первых, повысило эффективность работы ПК в целом и, во-вторых, компьютер, созданный по такой схеме, легко пополнять новыми устройствами. Данное свойство называют открытостью архитектуры. Для пользователя открытая архитектура означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств для своего компьютера в зависимости от круга решаемых задач.