Тема 3: Системное обеспечение информационных процессов
Лекция 3.
Аннотация
Классификация и назначение компьютеров. Архитектура ЭВМ. Логическая и структурная схема персонального компьютера. Базовый состав ПК. Стандарты безопасности для мониторов. Периферийные устройства ПК.
3.1. Классификация компьютеров
Компьютер (англ. Computer — «вычислитель») – это устройство, предназначенное для обработки, хранения и передача информации. Компьютер может обрабатывать только информацию, которая представлена в цифровой форме. Термин «компьютер» является синонимом аббревиатуры «ЭВМ» (электронная вычислительная машина). После появления персональных компьютеров (от англ. реrsonal computer, PC), термин ЭВМ впоследствии был практически вытеснен из употребления и заменен более удобным термином «компьютер».
Существует и другие разные системы классификации ЭВМ:
-
По производительности и быстродействию
-
- По назначению
-
- По уровню специализации
-
- По типу использованного процессора
-
- По особенностям архитектуры
-
- По размерам
Рассмотрим схему классификации ЭВМ, исходя из их вычислительной мощности и габаритов.
Суперкомпьютеры – это самые мощные по быстродействию и производительности вычислительные машины. К СУПЕРЭВМ относятся “Cray” и “IBM SP2” (США). Используются для решения крупномасштабных вычислительных задач и моделирования, для сложных вычислений в аэродинамике, метеорология, физике высоких энергий, также находит применение и в финансовой сфере.
Большие машины или мэйнфреймы (Mainframe). Мэйнфреймы используются в финансовой сфере, оборонном комплексе, применяются для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров.
Средние ЭВМ широкого назначения используются для управления сложными технологическими производственными процессами.
Мини-ЭВМ ориентированы на использование как управляющие вычислительные комплексы, как сетевые серверы.
Микро-ЭВМ — это компьютеры, в которых как центральный процессор используется микропроцессор. К ним относятся встроенные микро – ЭВМ (встроены в разное оборудование, аппаратуру или приборы) и персональные компьютеры PC.
Современные персональные компьютеры имеют практически те же характеристики, что и МИНИ-ЭВМ 80-х годов. На базе этого класса ЭВМ строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов разного уровня, используются как средство обработки информации в информационных системах.
К персональным компьютерам относятся настольные и переносные ПК. К переносным ЭВМ относятся Notebook (блокнот или записная книжка) и карманные персональные компьютеры (Personal Computers Handheld - Handheld PC, Personal Digital Assistants – PDA и Palmtop).
3.2. Основные компоненты персонального компьютера (пк)
Архитектура ЭВМ включает как структуру, что отображает состав ПК, так и программно–математическое обеспечение. Структура ЭВМ - совокупность элементов и связей между ними. Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. Основы учения об архитектуре вычислительных машин были заложены Джоном фон Нейманом. Совокупность этих принципов породила классическую (фон-неймановскую) архитектуру ЭВМ.
Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, представленную на рис. 1.
Рис.1 Логическая схема компьютера
Разнообразие современных компьютеров чрезвычайно большое, однако в общем ее структура базируется на общих логических принципах, которые позволяют выделить в любом компьютере основные устройства.
Положение фон Неймана:
-
Компьютер состоит из нескольких основных устройств (запоминающее устройство, процессор, устройство ввода и вывода).
Запоминающее устройство, к функциям которого относятся:
а) прием информации от других устройств;
б) запоминание информации;
в) выдача информации по запросу в другие устройства ПК.
-
Данные, которые хранятся в запоминающем устройстве, представленные в двоичной форме
-
Программа, которая задает работу компьютера, и данные хранятся в одном и том же запоминающем устройстве
Процессор реализует такие функции:
а) обработки данных с помощью заданной программы путем выполнения арифметических и логических операций.
-
Арифметико-логическое устройство – выполняет логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации, которая хранится в памяти;
-
б) программного управления работой устройств компьютера:
-
Устройство управления – обеспечивает управление и контроль всех устройств компьютера (управляющие сигналы указаны пунктирными стрелками)
-
Устройства ввода и вывода для введения и выведения информации.
Перечисленные устройства объединены каналами связи, которыми передается информация.
Один из самых важных принципов – принцип программности – требует, чтобы программа хранилась в память машины так же, как в ней хранится начальная информация.
Арифметико-логическое устройство и устройство управления в современных компьютерах образуют процессор ЭВМ. Процессор, который состоит из одной или нескольких больших интегральных схем называется микропроцессором или микропроцессорным комплектом.
Процессор – функциональная часть ЭВМ, выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Процессор является преобразователем информации, которая поступает из памяти и внешних устройств. Запоминающие устройства обеспечивают хранение начальных и промежуточных данных, результатов вычислений, а также программ. Они включают:
-
оперативные (ОЗУ)
-
сверхоперативные (СОЗУ)
-
постоянные (ПЗУ)
-
внешние (ВЗУ) запоминающие устройства.
Оперативные ЗУ хранят информацию, с которой компьютер работает непосредственно сейчас (резидентная часть операционной системы, прикладная программа, обрабатываемые данные). В СОЗУ хранится чаще всего используемые процессором данные. Только та информация, которая хранится в СОЗУ и ОЗУ, непосредственно доступная процессору.
Проанализируем данную логическую схему. Для решения определенной задачи на компьютере составляется программа, которая вместе с данными, которые подлежат обработке, размещается в запоминающем устройстве. После размещения программы происходит ее выполнение: в устройство управления поступают коды операций (что делать), а в арифметико-логическое устройство – данные (с чем работать). Устройство управления образует сигналы, которые поступают на другие устройства, которые обеспечивают выполнение данной операции. Потом с запоминающего устройства выбирается другая команда и организуется ее выполнение. Этот процесс продолжается до окончания всей программы.
Любой компьютер рассматриваются как совокупность его функциональных элементов и взаимосвязей между ними. Структура компьютера графически изображается в виде структурных схем (рис.2), с помощью которых можно предоставить описание компьютера на любом уровне детализации.
Рис.2 Структурная схема ПК
Итак, современный ПК состоит из таких основных конструктивных компонентов:
-
системного блока;
-
монитора;
-
клавиатуры;
-
манипуляторов;
-
дополнительных устройств (сканер, принтер, Web-камера и тому подобное).
В системном блоке размещаются:
-
материнская плата;
-
процессор;
-
система охлаждения;
-
оперативное запоминающее устройство;
-
постоянное запоминающее устройство;
-
блок питания;
-
накопитель на жестких магнитных дисках;
-
кадр-ридер;
-
платы расширения;
-
видео-адаптер;
-
звуковая карта;
-
накопитель CD-ROM, DVD-ROM, Blu-ray Disc и тому подобное.
Аппаратное обеспечение современных ПК строится на принципе открытой архитектуры, который заключается:
-
регламентируется и стандартизируется только описание принципов действия компьютера и его конфигурации. Т.е., компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-производителями;
-
компьютер легко расширяется и модернизируется за счет наличия внутренних слотов расширения, которые отвечают определенному стандарту.
Разнообразные устройства компьютера соединены между собой с помощью интерфейса.
Интерфейс – это совокупность средств и правил, которые обеспечивают взаимодействие двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласовываются между собой.
Каждый из функциональных элементов (память, монитор или др. устройства) связан с шиной определенного типа – адресной, управляющей или шиной данных. Для согласования интересов периферийные устройства подключаются к шине не непосредственно, а через свои контролеры (адаптеры) и порты по схеме:
Основные электронные компоненты компьютера, которые определяют архитектуру процессора, размещаются на главной плате, которая называется системной или материнской (англ.—MotherBoard). Контролери и адаптеры дополнительных устройств выполняются в виде плат расширения (англ. – DaughterBoard) и присоединяются к шине с помощью слотов расширения.
Материнская плата является главной в системном блоке и содержит такие компоненты:
-
центральный процессор;
-
постоянная и оперативная память;
-
кэш-память;
-
контролеры;
-
интерфейсные схемы шин;
-
слоты расширения;
-
обязательные системные средства ввода-вывода и др.
Системные платы выполняются на основе набора микросхем, которые называются чипсетами (англ. – ChipSets).
В слоты расширения системной платы устанавливаются платы таких периферийных устройств, как модем, сетевая плата, видеоплата и др.
Центральный микропроцессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) – небольшая микросхема, которая выполняет все вычисления и обработку информации) – это ядро ПК. В компьютерах типа IBM PC используются микропроцессоры фирмы Intel и совместимые с ними микропроцессоры других фирм.
Компоненты микропроцессора:
-
АЛУ выполняет логические и арифметические операции;
-
шина данных и шина адресов;
-
Устройство управления - управляет всеми устройствами ПК
-
Регистры используются для хранения данных и адресов;
-
Счетчики команд;
-
Кэш – быструю память малого объема (до 2 Мбайт);
-
Математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.
-
Схема управления шиной и портами – осуществляет подготовку устройств к обмену данными между микропроцессором и портом ввода – вывода, а также управляет шиной адреса и управления.
Основные характеристики процессора:
-
Разрядность – число двоичных разрядов, одновременно обрабатываемых при выполнении одной команды. Большинство современных процессоров – это 32–разрядные процессоры, но выпускаются и 64 - разрядные процессоры.
-
Тактовая частота – количество циклов работы устройства за единицу времени (МГц). Чем выше тактовая частота, тем выше производительность.
-
Наличие встроенного математического сопроцессора
-
Наличие и размер Кеш- памяти.
Оперативная память
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM) - область памяти, предназначенная для хранения информации на протяжении одного сеанса работы с компьютером. Конструктивно ОЗУ выполнено в виде интегральных микросхем.
Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов – битов, объединенных в группы по 8 битов, которые наз. байтами. Все байты пронумерованы, номер байта наз. его адресом.
Из нее процессор прочитывает программы и начальные данные для обработки в свои регистры, у нее записывает полученные результаты. Название “оперативная” эта память получила потому, что она работает очень быстро, в результате процессору не приходится ожидать при чтении или записи данных в память.
Однако быстродействие ОЗУ ниже быстродействия регистров процессора, поэтому перед выполнением команд процессор переписывает данные из ОЗУ в регистры. По принципу действия различают динамическую память и статическую.
Ячейки динамической памяти являются микроконденсаторами, которые накапливают заряд на своих обкладках. Ячейки статической памяти являются триггерами, которые могут находиться в двух устойчивых состояниях.
Различают два вида памяти: внутреннюю и внешнюю.