Федеральное агентство по здравоохранению и социальному развитию гоу впо Кировская государственная медицинская академия Росздрава
Кафедра физики, информатики и медтехники
(заведующий кафедрой Кудрявцев В.А.)
Лекция (методическая разработка)
для студентов 1 курса факультета экспертизы и товароведения
ТЕМА: Компьютер. Магистрально-модульный принцип построения
ЦЕЛЬ: способствовать формированию системы теоретических знаний о функциональной схеме компьютера, его основных элементах и их характеристиках.
ВРЕМЯ ЛЕКЦИИ: 4 часа
ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ:
Функциональная схема компьютера
Магистрально-модульный принцип построения
Характеристики процессора.
Характеристики памяти.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ СТУДЕНТОВ.
Какие основные устройства выделяют функциональной схеме компьютера?
Что такое системная шина? Шина адреса, шина данных, шина управления?
В чем заключается суть магистрально-модульного принципа построения ЭВМ?
Основные характеристики процессора.
Основные характеристики памяти.
ЛИТЕРАТУРА
Информатика: Базовый курс/ С.В. Симонович и др. – СПб.: Питер, 2002
ЛЕКЦИЯ ПОДГОТОВЛЕНА преподавателем кафедры физики, информатики и медтехники Ситниковой О.С.
Методическая разработка утверждена на заседании кафедры №__от «______»
Компьютер. Магистрально-модульный принцип построения
Компьютер — это универсальное (многофункциональное) электронное автоматическое устройство, предназначенное для накопления, обработки и передачи информации. Компьютер – это программно-управляемое устройство, т.е. он работает автоматически, без участия человека, но по составленной человеком программе, которая управляет всеми действиями компьютера.
Важным для понимания устройства и принципов работы компьютера является понятие архитектуры.
Под архитектурой компьютера понимается его логическая организация, структура, ресурсы, то есть средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени.
В 1945г. американский ученый Джон фон Нейман опубликовал статью, где изложил основные принципы архитектуры ЭВМ, на которых базируется большинство современных и ранее разработанных компьютеров – их архитектура называется неймановской.
Первый принцип архитектуры Неймана. Основные блоки компьютера: процессор (орган арифметики и управления), память (орган памяти), устройства ввода и вывода (орган связи с внешним миром).
Функциональная схема компьютера. Основные устройства компьютера и их функции.
Несмотря на огромное разнообразие вычислительной техники и ее необычайно быстрое совершенствование, фундаментальные принципы устройства машин во многом остаются неизменными. В частности, начиная с самых первых поколений, любая ЭВМ состоит из следующих основных устройств: процессор, память (внутренняя и внешняя) и устройства ввода и вывода информации. Рассмотрим более подробно назначение каждого из них.
Процессор является главным устройством компьютера, в котором собственно и происходит обработка всех видов информации. Другой важной функцией процессора является обеспечение согласованного действия всех узлов, входящих в состав компьютера. Соответственно наиболее важными частями процессора являются арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ).
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - предназначено для обработки информации, выполнения арифметических и логических операций над данными;
Устройство управления (УУ) - управляет работой компьютера, формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные управляющие сигналы.
Конструктивно процессор представляет собой микросхему (или блок микросхем). Микросхема (интегральная схема) - сложная электронная схема, образованная большим количеством электронных элементов, сформированных на поверхности кристалла кремния или другого полупроводника.
Каждый процессор способен выполнять вполне определенный набор универсальных инструкций, называемых чаще всего машинными командами. Каков именно этот набор, определяется устройством конкретного процессора, но он не очень велик и в основном аналогичен для различных процессоров. Работа ЭВМ состоит в выполнении последовательности таких команд, подготовленных в виде программы. Процессор способен организовать считывание очередной команды, ее анализ и выполнение, а также при необходимости принять данные или отправить результаты их обработки на требуемое устройство. Выбрать, какую инструкцию программы исполнять следующей, также должен сам процессор, причем результат этого выбора часто может зависеть от обрабатываемой в данный момент информации.
Хотя внутри процессора всегда имеются специальные ячейки (регистры) для оперативного хранения обрабатываемых данных и некоторой служебной информации, в нем сознательно не предусмотрено место для хранения программы. Для этой важной цели в компьютере служит другое устройство — память.
Мы рассмотрим лишь наиболее важные виды компьютерной памяти, поскольку ее ассортимент непрерывно расширяется и пополняется все новыми и новыми типами.
Память в целом предназначена для хранения как данных, так и программ их обработки: согласно фундаментальному принципу фон Неймана, для обоих типов информации используется единое устройство.
Начиная с самых первых ЭВМ, память сразу стали делить на внутреннюю и внешнюю.
Исторически это действительно было связано с размещением внутри или вне процессорного шкафа. Однако с уменьшением размеров машин внутрь основного процессорного корпуса удавалось поместить все большее количество устройств, и первоначальный непосредственный смысл данного деления постепенно утратился. Тем не менее терминология сохранилась.
Под внутренней памятью современного компьютера принято понимать быстродействующую электронную память, расположенную на его системной плате. Главным ее достоинством является высокая скорость обмена сигналами с процессором, что обеспечивает быстрый доступ к хранимой информации.
Сейчас такая память изготавливается на базе самых современных полупроводниковых технологий (раньше использовались магнитные устройства на основе ферритовых сердечников — лишнее свидетельство тому, что конкретные физические принципы значения не имеют).
Наиболее существенная часть внутренней памяти называется оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Его главное назначение состоит в том, чтобы хранить данные и программы для решаемых в текущий момент задач. Информацию можно записать в оперативную память или прочитать из нее. Оперативная память зависит от источника питания, ее содержимое: исчезает, при его отключении (энергозависимость).
Наверное, каждому пользователю известно, что при выключении питания содержимое ОЗУ полностью теряется.
В состав внутренней памяти современного компьютера, помимо ОЗУ, также входят и некоторые другие разновидности памяти, которые при первом знакомстве можно пропустить.
Здесь упомянем только о постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). Постоянная память предназначена для хранения информации, к которой необходим быстрый доступ, но нет возможности (и нецелесообразно) с каждым новым включением загружать ее в ОЗУ. В ПЗУ хранится информация, необходимая для первоначальной загрузки компьютера в момент включения питания. Как очевидно из названия, информация в ПЗУ не зависит от состояния компьютера.
Для лучшего понимания можно указать на некоторую аналогию между информацией в ПЗУ и "врожденными" безусловными рефлексами у живых существ).
Раньше содержимое ПЗУ раз и навсегда формировалось на заводе, теперь же современные технологии позволяют в случае необходимости обновлять его даже не извлекая из компьютерной платы.
Внешняя память реализуется в виде довольно разнообразных устройств хранения информации и обычно конструктивно оформляется в виде самостоятельных блоков. Сюда прежде всего следует отнести накопители на гибких и жестких магнитных дисках (последние пользователи жаргонно именуют винчестерами), а также оптические дисководы (устройства для работы с CD-ROM). В конструкции устройств внешней памяти имеются механически движущиеся части, поэтому скорость их работы существенно ниже, чем у полностью электронной внутренней памяти. Тем не менее внешняя намять позволяет сохранить огромные объемы информации с целью последующего использования.
Подчеркнем, что информация во внешней памяти прежде всего предназначена для самого компьютера и поэтому хранится в удобной ему форме; человек без использования машины не в состоянии, например, даже отдаленно представить содержимое немаркированной дискеты или диска CD-ROM.
Современные программные системы способны объединять внутреннюю и внешнюю память в единое целое, причем так, чтобы наиболее редко используемая информация попадала в более медленно работающую внешнюю память. Такой метод дает возможность очень существенно расширить объем обрабатываемой с помощью компьютера информации.
Устройства ввода, вывода и обмена данными.
Они предназначены для обмена информацией между компьютером и окружающим миром (в том числе человеком или другим компьютером)
Если процессор дополнить памятью, то такая система уже может быть работоспособной. Ее существенным недостатком является невозможность узнать что-либо о происходящем внутри такой системы. Для получения информации о результатах необходимо дополнить компьютер устройствами вывода, которые позволяют представить их в доступной человеческому восприятию форме. Наиболее распространенным устройством вывода является дисплей, способный быстро и оперативно отображать на своем экране как текстовую, так и графическую информацию. Для того чтобы получить копию результатов на бумаге, используют печатающее устройство, или принтер.
Наконец, поскольку пользователю часто требуется вводить в компьютерную систему новую информацию, необходимы еще и устройства ввода. Простейшим устройством ввода является клавиатура. Широкое распространение программ с графическим интерфейсом способствовало популярности другого устройства ввода —манипулятора мышь. Наконец, очень эффективным современным устройством для автоматического ввода информации в компьютер является сканер, позволяющий не просто преобразовать картинку с листа бумаги в графический компьютерный файл, но и с помощью специального программного обеспечения распознать в прочитанном изображении текст и сохранить его в виде, пригодном для редактирования в обычном текстовом редакторе.
Особо следует выделить устройства обмена информацией, которые выполняют одновременно и функцию ввода, и .функцию вывода. К таким устройствам относится модем - устройство, предназначенное для обмена информацией между удаленными компьютерами.
Магистрально-модульный принцип построения
В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип.
Теперь, когда мы знаем основные устройства компьютера и их функции, осталось выяснить, как они взаимодействуют между собой. Для этого обратимся к функциональной схеме современного компьютера, приведенной на рисунке.
Для связи основных устройств компьютера между собой используется специальная информационная магистраль, обычно называемая инженерами шиной. Магистраль (иначе называемая системная шина, или общая шина) - совокупность проводников, по которым происходит передача данных и управляющих сигналов между устройствами компьютера.
Шина состоит из трех частей шин (многопроводным линиям связи), соединяющим все модули:
шина адреса, на которой устанавливается (передается) адрес требуемой ячейки памяти или устройства, с которым будет происходить обмен информацией;
шина данных, по которой собственно и будет передана необходимая информация;
• шина управления служит для передачи управляющих сигналов, регулирующая этот процесс передачи информации (например, один из сигналов на этой шине позволяет компьютеру различать между собой адреса памяти и устройств ввода/вывода).
Вся информация, передаваемая по магистрали (данные, адреса, управляющие сигналы) представлена в двоичном алфавите в виде последовательностей нулей и единиц. Им соответствуют последовательности электрических импульсов (сигналов). Используются сигналы с напряжением до 5 В (Вольт) – таким сигналом кодируется единица, и сигналы с напряжением 0,5 В (напряжение практически равно нулю, сигнал отсутствует) – таким сигналом кодируется нуль. Таким образом, последовательность электрических сигналов нулевого и ненулевого напряжения несут информацию, представленную в двоичном коде.
Разрядность шины определяется количеством битов информации, передаваемых по шине параллельно.
Данные по шине данных могут передаваться от процессора к какому-либо устройству, или наоборот, от устройства к процессору, то есть шина данных является двунаправленной. К основным режимам работы процессора с использованием шины передачи данных можно отнести:
запись/чтение данных из оперативной памяти (оперативное запоминающее устройство — ОЗУ);
запись/чтение данных из внешних запоминающих устройств (ВЗУ);
чтение данных с устройств ввода,
пересылка данных на устройства вывода
Выбор абонента по обмену данными производит процессор, формируя код адреса данного устройства, а для ОЗУ — код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении — от процессора к устройствам (однонаправленная шина).
По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией (ввод/вывод), и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией.
Рассмотрим в качестве примера, как процессор читает содержимое ячейки памяти. Убедившись, что шина в данный момент свободна, процессор помещает на шину адреса требуемый адрес и устанавливает необходимую служебную информацию (операция — чтение, устройство — ОЗУ и т.п.) на шину управления. Теперь ему остается только ожидать ответа от ОЗУ. Последнее, "увидев" на шине обращенный к нему запрос на чтение информации, извлекает содержимое необходимой ячейки и помещает его на шину данных. Разумеется, реальный процесс, значительно подробнее, но нас сейчас не интересуют технические детали. Особо отметим, что обмен по шине при определенных условиях и при наличии определенного вспомогательного оборудования может происходить и без непосредственного участия процессора, например, между устройством ввода и внутренней памятью.
Подчеркнем также, что описанная нами функциональная схема на практике может быть значительно сложнее. Современный компьютер может содержать несколько согласованно работающих процессоров, прямые информационные каналы между отдельными устройствами, несколько взаимодействующих магистралей и т.д. Тем не менее если понимать наиболее общую схему, то разобраться в конкретной компьютерной системе будет уже легче.
Магистральная структура позволяет легко подсоединять к компьютеру именно те внешние устройства, которые нужны для данного пользователя. Благодаря ей удается скомпоновать из стандартных блоков любую индивидуальную конфигурацию компьютера.
Устройства ввода и вывода вместе с устройствами внешней памяти называют внешними устройствами.
Компоненты архитектуры компьютера конструктивно объединяются в определенные единицы оборудования - блоки. Рассмотрим базовый состав персонального компьютера. Он включает системный блок, монитор, мышь, клавиатуру.. Могут быть подключены и другие внешние устройства.
Системный блок - это основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Основным устройством системного блока является материнская плата. Она представляет собой пластмассовую пластину, на которой размещаются микросхемы, соединенные с помощью пайки или пружинных контактов. На материнской плате размещаются процессор, микросхемы оперативной и постоянной памяти, шины магистрали, разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты), видео- и звуковые карты - дочерние платы, поддерживающие работу видеомонитора и звуковоспроизводящих устройств, некоторые другие блоки.
В системный блок встраивается жесткий диск (винчестер), дисководы гибких дисков и компакт-дисков (CD-ROM), некоторые вспомогательные устройства (например, вентиляторы).
Устройства, которые подключаются к системному блоку извне, называются периферийными устройствами.
Что позволяет говорить о модульном принципе построения компьютера? Конструктивно составные части системного блока и магистраль располагаются на системной плате. На ней иногда бывают сосредоточены все необходимые для работы компьютера элементы. Такие платы называются All-In-One. Однако большая часть компьютеров имеет системные платы, которые содержат лишь основные узлы, а элементы связи, например, с приводами накопителей, дисплеем и другими периферийными устройствами на ней отсутствуют. В таком случае эти отсутствующие элементы располагаются на отдельных печатных платах, которые вставляются в специальные разъемы расширения, предусмотренные для этого на системной плате. Эти дополнительные платы называют дочерними (daughterboard), а системную плату — материнской (motherboard).
Функциональные устройства, выполненные на дочерних платах, часто называют контроллерами или адаптерами, а сами дочерние платы — платами расширения. Таким образом, подключение отдельных модулей компьютера к магистрали, находящейся непосредственно на материнской плате, на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, а на программном обеспечивается драйверами. Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответствующее устройство смогло принять этот сигнал и правильно отреагировать на него. За его выполнение процессор не отвечает, отвечает лишь соответствующий контроллер, поэтому периферийные устройства компьютера заменяемы и набор таких модулей произволен. Большая часть периферийных устройств подсоединяется очень просто — снаружи, через разъемы на корпусе системного блока к выходам соответствующих контроллеров — портам (периферийные устройства еще называются внешними, так как осуществляют связь ЭВМ с внешним миром).
Благодаря модульному принципу построения потребитель сам может комплектовать компьютер нужной ему конфигурации и производить при необходимости ее модернизацию.