4.Технические средства реализации информационных процессов

4.1.Структура персонального компьютера

Компьютер (от англ. to compute – вычислять; электронная вычислительная машина – ЭВМ) представляет собой электронное устройство, осуществляющее обработку информации. Структура компьютера показана на Рис. 1. Основу компьютера составляет центральный процессор (ЦП; англ. CPU – central processor unit, от to process – обрабатывать), осуществляющий упомянутую выше обработку информации.

Рис. 1. Общая структура персонального компьютера

Технологически, процессор представляет собой интегральную микросхему, осуществляющую, как правило, лишь элементарные арифметические и логические операции над целыми (и иногда дробными) числами по командам, задаваемым извне. Современные процессоры отличаются достаточно высокой производительностью (десятки и сотни миллионов элементарных операций в секунду) и надежностью функционирования.

Для эффективной работы процессор должен постоянно получать извне исходные данные и команды, а также выдавать результаты их обработки. Для хранения информации используется специальный блок – оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или англ. RAM – random access memory – память с произвольным доступом). С функциональной точки зрения ОЗУ представляет собой набор отдельных ячеек, каждая из которых способна записывать в себя, сохранять в течение определенного времени и выдавать по мере необходимости произвольное число, которое может относиться к данным или являться кодом команды для ЦП. Информационный объем отдельной ячейки составляет, как правило, один байт (восемь бит).

Поскольку в компьютере, как электронном устройстве, информация представляется в виде электрических сигналов, для обмена данными процессор и память соединены проводниками, чаще всего представляющими собой металлизированные дорожки, изготовленные различными способами на поверхности общей платы из диэлектрического материала. По каждой из таких дорожек в один момент времени может передаваться лишь один разряд (бит) данных. Поэтому, для ускорения обмена на плате изготавливается несколько дорожек, по которым параллельно передаются отдельные разряды данных. Совокупность проводников, соединяющих отдельные блоки компьютера, называется шиной. Различают несколько основных шин. В частности, шина для передачи данных называется шиной данных (ШД; англ. DB – data bus). Ее разрядность постоянно увеличивалась по мере совершенствования вычислительной техники, начавшись с 8-ми разрядов в системах на базе процессора i8080, и достигнув 64-х разрядов в настоящее время.

Обмен по шине данных осуществляется двунаправленно, то есть данные могут передаваться как из процессора в оперативную память, так и наоборот, из памяти в процессор.

Как уже говорилось выше, память представляет собой множество отдельных ячеек, общее число которых в современных компьютерах измеряется десятками и сотнями миллионов. Для устранения неоднозначностей при работе с памятью все ячейки пронумерованы и имеют собственный уникальный номер, называемый адресом. Адрес нужной ячейки формируется микропроцессором и передается в ОЗУ, после чего осуществляется собственно передача данных по шине данных. Для передачи адресов в компьютере существует отдельная адресная шина (ША; AB – address bus). Ее особенностью является то, что обмен по ней осуществляется однонаправленно, от процессора к оперативной памяти.

Кроме того, одновременно с адресом процессор должен передать в память информацию о направлении обмена данными, то есть, собирается ли он произвести чтение из ячейки с переданным адресом, или произвести в нее запись новых данных. Эта информация кодируется специальным служебным сигналом. Существует довольно много подобных служебных сигналов, предназначенных для различных блоков компьютера. Все они группируются в третью шину – шину управления (ШУ; CB – control bus).

ОЗУ является энергозависимым устройством. То есть оно способно хранить записанную в него информацию только при включенном питании. После отключения компьютера от сети информация в ОЗУ теряется.

Для того чтобы после включения питания компьютер мог начать выполнять осмысленные действия, в его структуре предусмотрен ещё один блок памяти – постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, или англ. ROM – Read Only Memory – память только для чтения).

Структурно микросхема ПЗУ устроена точно так же, как и ОЗУ, но в отличие от последнего, не теряет записанную информацию после отключения питания. В ПЗУ производитель компьютера записывает набор подпрограмм, предназначенных для начального тестирования и инициализации узлов компьютера при включении питания, загрузки операционной системы и простейших средств взаимодействия с экраном и клавиатурой (это т.н. BIOS – Basic Input-Output System – базовая система ввода-вывода).

Хотя существуют многократно стираемые и перезаписываемые микросхемы ПЗУ, в нормальном режиме работы компьютер не изменяет содержимого BIOS. Кроме того, объём ПЗУ невелик (обычно не превышает 0.5 Мб) и в нём не могут содержаться прикладные программы пользователя.

Для хранения операционной системы, прикладных программ и пользовательских данных в компьютере предусмотрена система внешних запоминающих устройств (ВЗУ). Номенклатура таких устройств очень широкая. Однако наиболее часто на практике применяются накопители на магнитных дисках – гибких (дисководы) и жёстких (винчестеры). Современные дисководы используют в качестве носителя информации дискеты ёмкостью 1.44 Мб, позволяющие переносить небольшие объёмы информации между компьютерами и хранить их в течение некоторого времени. Надёжность хранения информации на таких дискетах относительно невелика. Винчестеры могут достигать объёма 40-120 Гб и обеспечивают надёжное хранение данных и высокую скорость доступа к ним (от единиц до десятков мегабайт в секунду).

Ещё один достаточно распространённый дисковый накопитель – накопитель на компакт-дисках. Так же, как и дискеты, компакт-диски являются съёмными носителями, но в отличие от них имеют существенно большую ёмкость (650-800 Мб). Различают CD-ROM (без возможности записи информации пользователем), CD-R (с возможностью однократной записи) и CD-RW (с возможностью многократной записи).

В качестве устройств внешней памяти могут использоваться и другие накопители (DVD, магнитооптические, накопители на магнитных лентах, flash-карты и т.п.).

В отличие от ОЗУ или ПЗУ непосредственный доступ процессора к ВЗУ невозможен, и обмен данными ведётся через специальный контроллер ввода-вывода, подключаемый к внутренним шинам компьютера. Для чтения информации из ВЗУ процессор выдаёт контроллеру команду чтения, указывает расположение данных на диске, после чего контроллер выполняет эту команду, считывая необходимый блок данных с диска и размещая его в оперативной памяти. Так же поблочно осуществляется запись информации в ВЗУ. Скорость обмена данными с устройствами внешней памяти на один-два порядка ниже, чем с оперативной памятью.