Тема 2.2: Поняття про архітектуру та принципи функціонування комп’ютера.

Мета: Сформувати основні уявлення про архітектуру та принципи функціонування персо-

нального комп’ютера.

Перелік питань для вивчення.

1. Логічна структура комп'ютера.

2. Апаратне та програмне забезпечення.

3. Історія створення персонального комп’ютера.

4. Поняття про архітектуру та принципи функціонування ПК.

1. Логічна структура комп'ютера.

В 1945 році відомий американський математик Джон фон Нейман описав загальну ло-

гічну структуру комп’ютера. Дана структура була названа «архітектурою фон Неймана».

Для ефективної роботи будь-який сучасний комп’ютер повинен мати такі компоненти:

 арифметико-логічний пристрій;

 пристрій керування;

 пам'ять;

 пристрої введення-виведення інформації.

Логічну схему комп'ютера зображено на рис. 2.2.1 (суцільні лінії - зв'язки керування, пере-

ривчасті - інформаційні).

Рис. 2.2.1 Логічна схема комп'ютера

Арифметико-логічний пристрій виконує арифметичні та логічні перетворення даних,

які надходять до нього.

Пристрій керування керує процесом автоматичного опрацювання інформації, надсилаючи

всім іншим пристроям сигнали про виконання тих чи тих дій.

Сукупність арифметико-логічного пристрою та пристрою керування називають процесором.

Пам'ять зберігає інформацію, передану з одних пристроїв і видає інформацію іншим пристро-

ям комп’ютера.

Пристрої введення - виведення служать для введення даних у комп’ютер та виведення ре-

зультатів.

Джон фон Нейман також відзначав, що комп'ютер повинен працювати з двійковими числами,

бути електронним, а не механічним пристроєм і виконувати операції послідовно одну за одною.

Принципи фон Неймана покладені в основу роботи комп'ютерів всіх поколінь.

2. Апаратне та програмне забезпечення.

Будь-який комп'ютер у процесі роботи використовує два види забезпечення:

1) апаратні компоненти (електронні пристрої);

2) програми, які зберігаються або завантажуються в пам'ять.

Апаратні компоненти називають апаратним забезпеченням (hardware).

Програми називають програмним забезпеченням (software).

Апаратне та програмне забезпечення доповнюють одне одного.

Програмне забезпечення виконує роль посередника між користувачем і комп’ютером, створю-

ючи зручний інтерфейс роботи.

Програми висувають певні вимоги до апаратних засобів комп’ютера (ємності оперативної

пам'яті, об’єму жорсткого диску, наявності відповідних пристроїв введення-виведення інформації).

В свою чергу, більшість апаратних засобів (наприклад, сканер, принтер) потребують для своєї

роботи наявності в пам'яті комп'ютера відповідних програм - драйверів пристроїв.

3. Історія створення персонального комп’ютера.

Комп’ютери перших двох поколінь працювали лише в строго заданих умовах і тому

безпосередній доступ до них мав лише технічний персонал та оператори.

В середині 1960-х років з’явився режим поділу часу процесора між декількома користу-

вачами. Були також створені мінікомп’ютери. Це дозволило декільком користувачам одночас-

но мати безпосередній доступ до ресурсів комп'ютера та спільно використовувати програ-

ми і дані.

Мініатюризація електронних компонентів і створення мікропроцесорів зумовили якіс-

но новий етап в розвитку обчислювальної техніки - появу персональних комп'ютерів (ПК).

Перший ПК Altair-8800 з'явився в 1975 році в США. Він був створений фірмою MITS (Micro

Instrumentation and Telemetry Systems - мікроапаратура та системи телеметрії). Altair-8800 був по-

будований на основі мікропроцесора Intel-8080 та мав ємність пам’яті 256 байт. Він не мав ні кла-

віатури, ні дисплея. Користувачі вводили програми та дані в двійковій формі за допомогою пе-

ремикачів, а результати зчитувалися також у двійкових кодах за допомогою лампочок (рис. 2.2.2).

Ці комп'ютери тривалий час не мали ніякого програмного забезпечення. Їх купували в

основному ентузіасти-програмісти. Одну з перших програм для ПК Альтаїр-8800 на мові Basic

створили майбутні засновники фірми Microsoft Білл Гейтс і Поль Аллен.

Рис. 2.2.2 Перший ПК Altair-8800 (1975 р.)

Найбільший успіх на першому етапі масового поширення ПК мала компанія Apple, яку

заснували Стів Джобс і Стефан Возняк. Їх перший ПК Apple не мав успіху. Але другий, назва-

ний Apple-2, який з'явився в 1977 році, мав величезний успіх. Цей комп’ютер мав систему кольо-

рової графіки та забезпечив компанії в перший рік продажу прибуток у 2,1 млн. $.

В 1981 році на ринок вийшла фірма IBM, випустивши свій перший ПК - IBM PC (Personal

Computer - персональний комп'ютер, рис. 2.2.3). Ця модель комп’ютера, a також моделі IBM PC

XT (eXtended Technology - розширена технологія) та IBM PC AT (Advanced Technology - передова

технологія) поклали початок дійсно масовому використанню ПК.

Персональний комп’ютер IBM виявився таким пристроєм, який легко адаптується та здат-

ний використовувати різноманітні апаратні та програмні засоби інших виробників. За цим принци-

пом були створені так звані ІВМ-сумісні ПК.

Рис. 2.2.3 Перша модель IBM PC (1981 р.)

Фірма IBM незабаром стала витіснятися іншими виробниками ПК, які пропонували кращі

та дешевші комп’ютери. Їх назвали клонами (близнюками) комп’ютерів IBM PC або ІВМ-сумісними

комп'ютерами.

В 1980 році фірма Apple Computer випустила комп'ютер Macintosh.

З того часу розвиток настільних комп'ютерів поділяється на два основних напрямки:

1) розвиток ІВМ-сумісних комп'ютерів, які підтримують архітектуру ІВМ РС;

2) розвиток Apple-сумісних комп'ютерів, які підтримують архітектуру Macintosh.

Кожен напрямок має свої переваги та недоліки.

До переваг ІВМ-сумісних ПК можна віднести наступне: в них застосовані принципи взає-

мозамінності та модульності, тобто ПК має блочну структуру. У випадку виходу з ладу одного

блоку його можна легко та швидко замінити. ІВМ-сумісні ПК можна модернізувати або доукомп-

лектувати додатковими пристроями, наростивши потенціал. Крім того, інформацію в ІВМ-суміс-

ний ПК можна ввести за допомогою аналого-цифрового перетворювача (АЦП).

Переваги Macintosh: кращі графічні можливості, які сприяли більш широкому використан-

ню цих комп'ютерів в поліграфії, апаратна пристосованість базових моделей Macintosh для роботи

з мультимедійною інформацією.

Варто звернути увагу на те, що в наш час відмінності між цими напрямками стали менш

відчутними з точки зору галузі застосування, але залишилися на рівні архітектури.

Внаслідок кращої універсальності ІВМ-сумісні комп'ютери набули значно більшого поши-

рення серед користувачів. В наш час вони становлять близько 90% всіх настільних систем, які ви-

пускаються в світі.

З цієї причини подальший розвиток ПК ми будемо розглядати на основі ІВМ-сумісних ком-

п'ютерів.

4. Поняття про архітектуру та принципи функціонування ПК.

Розглянемо загальний вигляд типового ПК (рис. 2.2.4).

Рис. 2.2.4 Загальний вигляд типового ПК.

До складу типового ПК входять:

 системний блок;

 клавіатура;

 маніпулятор «миша»;

 монітор;

 звукові колонки;

 інші пристрої.

В системному блоці з розміщені:

 материнська плата – платформа, на якій розташовані основні електронні компо-

ненти ПК;

 процесор – пристрій для керування роботою комп’ютера та опрацювання даних;

 пам’ять – пристрій для зберігання даних;

 інші пристрої.

До системного блоку підключаються наступні пристрої:

 клавіатура та маніпулятор «миша» - пристрої для введення даних;

 монітор і звукові колонки – пристрої для виведення даних.

Пристрої введення даних надсилають дані та програми для їх опрацювання в пам’ять ком-

п’ютера. З пам’яті дані надсилаються до процесора. Опрацювання даних в процесорі виконує

арифметико-логічний пристрій. Керує процесами опрацювання даних, їх збереженням і переда-

чею пристрій керування.

Рис. 2.2.5 Схема роботи комп’ютера

З процесора опрацьовані дані знову потрапляють у пам’ять комп’ютера.

Пристрої виведення даних виражають результати їх опрацювання у вигляді, зручному для

користувача.

Дана схема описує логічну організацію роботи комп’ютера.

Архітектура комп’ютера – це схема, яка описує логічну організацію його роботи.

Сучасна архітектура комп’ютерів базується на принципах Беббіджа та фон Неймана.

Основними принципами функціонування сучасних комп’ютерів являються:

 принцип двійкового кодування - всі дані подаються у вигляді двійкових кодів;

 принцип програмного керування - всі операції з опрацювання даних здійснюються згід-

но програм, які розміщуються в пам’яті комп’ютера;

 принцип адресності - кожна комірка пам’яті має унікальне ім’я – адресу. Процесор

може безпосередньо звернутися до даних, які розміщені в будь-якій частині пам’яті;

 принцип однорідності пам’яті - всі дані, в тому числі й програми, зберігаються в

одному й тому ж самому запам’ятовуючому пристрої;

 магістрально-модульний принцип - дані між окремими пристроями комп’ютера пере-

даються по єдиній магістралі – системній шині. В системній шині виділяють три окре-

мі шини: шина даних, шина адрес і шина керування. Комп’ютер складається з окремих

блоків – модулів, кожен з яких виконує певні функції. Це дає змогу звести модернізацію

або ремонт комп’ютера до заміни окремих модулів.

Комп’ютери, які працюють на основі зазначених принципів, мають так звану фоннейма-

нівську архітектуру.