Структурная схема эвм. Принципы функционирования персональных компьютеров (пк)

Как уже упоминалось ранее, информационные технологии  это преимущественно компьютеризированные способы обработки, хранения, передачи и использования информации. Хотя, строго говоря, понятие информационные технологии шире, чем компьютерные технологии, применительно к современной информатике они практически совпадают.

Совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных называется вычислительной техникой.

Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенных для обслуживания одного рабочего места или участка, называют вычислительной системой.

Центральным устройством большинства вычислительных систем является компьютер.

Слово «компьютер» означает вычислитель. В своем развитии вычислительная техника прошла разные этапы:

• палочки для вычислений, счеты;

• 1642 год, Блез Паскаль изобрел механическое устройство для сложения чисел;

• 1673 год, Готфрид Вильгельм Лейбниц создал арифмометр, позволяющий выполнять все четыре арифметических действия;

• вторая половина ХIX века, Чарльз Бэббидж разработал основные идеи универсального вычислительного устройства - аналитической программируемой машины;

• 1943 год, американец Говард Эйкен на основе идей Ч.Бэббиджа создал на базе электромеханических реле вычислительную машину «Марк-1»;

К этому времени потребность в автоматизации вычислений стала настолько велика, что над созданием подобных машин одновременно работало несколько групп специалистов. Созданные ими электронные вычислительные машины (ЭВМ) уже на основе электронных ламп работали в тысячу раз быстрее, чем «Марк-1». В 1945 году к этой работе был привлечен известный математик Джон фон Нейман. Итогом его работы стал доклад, который получил широкую известность, поскольку в нем фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, т.е. компьютеров.

Из этого доклада следовало, что для эффективной работы компьютера он должен содержать следующие устройства:

• арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;

• устройство управления, которое организует процесс выполнения программ;

• запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных;

• внешние устройства для ввода-вывода информации.

В общих чертах работу компьютера можно описать так. Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа. Устройство управления считывает содержание ячейки памяти, где находится первая команда программы и организует ее выполнение. После выполнения первой команды устройство управления начинает выполнять команду, расположенную в последующей ячейке памяти и т.д. Этот порядок может быть нарушен с помощью команд передачи управления (перехода), которые указывают устройству управления, что ему следует выполнять команды из других ячеек памяти.

Таким образом, управляющее устройство выполняет инструкции программы автоматически, т.е. без вмешательства человека. При этом управляющее устройство может обмениваться информацией с оперативной памятью и внешними устройствами.

Следует отметить, что схема устройства современного компьютера несколько отличается от приведенной выше. В частности, арифметико-логическое устройство и устройство управления объединены в единое устройство - центральный процессор. Кроме того, процесс выполнения программ может прерываться для выполнения неотложных действий, связанных с поступившими сигналами от внешних устройств компьютера - прерываний. Тем не менее, большинство современных компьютеров в основных чертах соответствуют принципам, изложенным фон Нейманом.

Развитие электроники во второй половине ХХ века (транзисторы -1948 год, интегральные микросхемы - 1958 год, микропроцессор - 1969 год) привело к значительному уменьшению габаритов и стоимости ЭВМ, что и предопределило появление персональных ЭВМ, иначе - персональных компьютеров (ПК).

После этого было создано большое количество ПК до тех пор, пока фирмой IBM в 1981 году не был разработан компьютер IBM PC, который стал стандартом персонального компьютера. Сейчас такие компьютеры («совместимые с IBM PC») составляют более 90% всех производимых в мире персональных компьютеров.

Столь значительный успех был достигнут благодаря использованию принципа открытой архитектуры. Т.е. компьютер был сделан не единым неразъемным устройством, а допускал возможность его сборки из независимо изготовленных частей аналогично детскому конструктору. При этом методы сопряжения устройств с компьютером IBM PC не только не держались в секрете, но и были доступны всем желающим.

Обычно современные персональные компьютеры IBM PC состоят из трех основных блоков: системного блока; клавиатуры для ввода символов и монитора (дисплея). Структурная схема ПК показана на рис. 1.2.

Рис. 1.2.Структурная схема ПК

Системный блок имеет модульную структуру. Главный элемент - микропроцессор, выполняющий все основные арифметические и логические операции и управляющий синхронной работой всех остальных блоков ПК. В компьютерах типа IBM PC используются микропроцессоры фирмы Intel, а также совместимые с ними микропроцессоры других фирм (AMD, IBM и др.).

Основными параметрами процессора являются: разрядность, рабочая тактовая частота и размер кэш-памяти. Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт); рабочая тактовая частота определяет скорость, с которой осуществляются операции в процессоре; кэш-память (сверхбыстродействующая память, расположенная внутри процессора) позволяет снизить количество обращений процессора к значительно более медленной оперативной памяти.

Очень важным элементом компьютера является его память. Она обеспечивается разными элементами.

• Оперативная память (ОП)  предназначена для временного хранения данных, когда компьютер включен. Это та память, которая непосредственно работает с процессором, передавая в него данные и получая результаты обработки. В ней хранятся данные и программы, с которыми работает ПК в текущий момент времени. Оперативная память (ОП), будучи относительно небольшой по объему, обладает высоким быстродействием. Обычно ОП выполняется в виде набора микросхем. При выключении компьютера информация, находящаяся в ОП стирается.

• Долговременная (внешняя) память относится к устройствам, предназначенным для долговременного хранения больших объемов данных и программ. Она имеет невысокое быстродействие но очень большую емкость, и хранящаяся в ней информация не стирается при выключении компьютера. Существуют дисководы и, соответственно, носители информации на сменных, гибких магнитных дисках (дискеты), жесткие магнитные диски (винчестеры) и дисководы для компакт-дисков (CD-ROM), DVD и др.

• Кэш-память - специальная сверхбыстрая оперативная память, которая располагается как бы «между» микропроцессором и оперативной памятью и хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти.

• Постоянная память (ПЗУ), в которую внесены данные при изготовлении ПК. Эти данные не могут быть изменены, выполняемые на компьютере программы могут только их считывать. Поэтому часто такой вид памяти еще называют ROM (read only memory). Большая часть программ, размещенных в ПЗУ связана с обслуживанием операций ввода-вывода, соответственно содержимое ПЗУ часто называют BIOS (Basic Input-Output System - базовая система ввода-вывода).

• Полупостоянная память используется для хранения параметров конфигурации компьютера. Этот вид памяти еще называют СMOS-памятью, поскольку она выполняется по технологии СMOS (complementary metal-oxide semiconductor), обладающей низким энергопотреблением. Содержимое СMOS- памяти не изменяется при выключении компьютера, так как для ее электропитания используется специальный аккумулятор.

• Видеопамять используется для хранения данных изображения, выводимого на экран монитора. Эта память входит в состав видеоконтроллера - электронной схемы, управляющей выводом изображения на экран.

Устройства ввода относятся к периферийным устройствам ПК и предназначены для ввода информации в ПК. Основными устройствами ввода данных в компьютер являются клавиатура, мышь и сканер. Сканеры предназначены для ввода графической и текстовой информации, нанесенной на бумажный носитель. Кроме того, компьютер может воспринимать информацию и с датчиков  в виде электрических сигналов через специальное устройство, называемое аналого-цифровым преобразователем (АЦП).

Устройства вывода также относятся к периферийным устройствам и предназначены для предоставления пользователям результатов обработки данных. Самые распространенные устройства вывода  монитор и печатающее устройство, или принтер. Существуют устройства для получения графиков и чертежей  графопостроители, или плоттеры. Компьютер также способен выводить информацию в виде электрических сигналов на какие-либо исполнительные устройства через цифрово-аналоговые преобразователи  ЦАП.

Обмен информацией между оперативной памятью и различными устройствами осуществляется с помощью контроллеров и магистралей обмена данных. Для каждого устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером (или адаптером). Все контроллеры взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных (шину).