Тема:	Апаратні засоби та програмне забезпечення сучасних персональних комп’ютерів. Структурна схема ПК.
Мета роботи: Зміст роботи: Організаційні та методичні вказівки:	Вивчення структурної схеми ПК. Повторення складових апаратної та програмної частин ПК. Дослідження впливу елементної бази на розвиток обчислювальної техніки. Вивчення правил техніки безпеки та правил поведінки в лабораторії обчислювальної техніки. Повторення теоретичного матеріалу теми «Апаратні засоби та програмне забезпечення сучасних персональних комп’ютерів». Розгляд апаратної частини ПК. Проведення дослідження впливу елементної бази на розвиток обчислювальної техніки. Створення тестів у текстовому редакторі Microsoft Word. Лабораторну роботу проводять після вивчення тем “ Вступ. Мета та задачі дисципліни. Елементна база ЕОМ. Вплив елементної бази на еволюцію ЕОМ. Перспективи розвитку елементної бази. Принципи фон Неймана. Структурна схема ЕОМ. Цифрові схеми та комбінаційні автомати.” з підгрупою студентів в два етапи: 1. Підготовчий етап: Вивчення правил техніки безпеки та правил поведінки в лабораторії обчислювальної техніки. Повторення теоретичного матеріалу теми «Принципи фон Неймана. Структурна схема ЕОМ. Цифрові схеми та комбінаційні автомати.». 2. Виконавчий етап: Розгляд апаратної частини ПК. Вивчення структурної схеми ПК. Повторення складових апаратної та програмної частин ПК. Дослідження впливу елементної бази на розвиток обчислювальної техніки. Створення тестів у текстовому редакторі Microsoft Word за індивідуальними завданнями.
Технічне забезпечення:	Персональний комп’ютер
Програмне забезпечення:	Windows XP, Microsoft Excel.
Час:	80 хвилин.

Лабораторна робота № 1. Теоретична частина

Машини Фон-Неймановського типу

В основу побудови більшості ЕОМ покладені наступні загальні принципи, сформульовані в 1945 році американським вченим угорського походження Джоном фон Нейманом.

Комп’ютер повинен мати наступні пристрої:

1. Арифметично-логічний пристрій (виконує арифметичні та логічні операції);

2. Пристрій керування (організує процес виконання програм);

3. Запам’ятовуючий пристрій (пам'ять для збереження програм та даних);

4. Зовнішні пристрої (введення і виведення інформації).

В основі роботи комп’ютера лежать наступні принципи:

• Принцип двійкового кодування. Відповідно до цього принципу, вся інформація, що надходить в ЕОМ, кодується за допомогою двійкових сигналів.

• Принцип програмного керування. З нього випливає, що програма складається з набору команд, що виконуються процесором автоматично одна за одною у визначеній послідовності.

• Принцип однорідності пам’яті. Програми і дані зберігаються в одній і тій же пам’яті. ЕОМ не розрізняє, що зберігається в даній комірці пам’яті – число, текст чи команда. Над командами можна виконувати такі ж дії, як і над даними.

• Принцип адресації. Структурно основна пам'ять складається з пронумерованих осередків; процесору в довільний момент часу доступний будь-який осередок.

Комбінаційні схеми і цифрові автомати

У комбінаційних схемах (КС) результат перетворення (вихідні сигнали) залежить тільки від комбінації сигналів, поданих на її входи в даний момент часу. У КС відсутні елементи пам'яті, так що сигнали, діючі на входах КС, не зберігаються. Тому КС називають автоматами без пам'яті або примітивними автоматами, використовуваними в основному для побудови простих вузлів і функціональних блоків ЕОМ (шифраторів, дешифраторів, суматорів, перетворювачів кодів, схем контролю і ін.).

У цифрових автоматах (ЦА) на відміну від КС результат перетворення інформації залежить не тільки від значень сигналів, поданих на входи в даний момент часу, але і від послідовності попередніх станів входів і виходів, тобто внутрішніх станів схеми. Для фіксації внутрішніх станів ЦА повинен містити елементи пам'яті. Тому під ЦА розуміють комбінаційний пристрій з пам’яттю, зване автоматом з пам'яттю або повним автоматом.

Вони використовуються для побудови тригерних пристроїв регістрів, лічильників, розподільників імпульсів і ін.

Персональні комп'ютери. Особливості їхньої структури, конструкції та конфігурації

Персональний комп'ютер — загальнодоступна й універсальна щодо застосування настільна або перенос­на ЕОМ. Він — обов'язковий атрибут сучасного офісу. Це основна технічна база ІТ.

Професіонали, які працюють поза комп'ютерною сфе­рою, вважають неодмінною складовою своєї компетент­ності знання апаратної частини ПК, хоча б його основних технічних характеристик.

Можливості ПК визначаються складом і характерис­тиками його функціональних блоків (рис. 1.1). Замінивши одні блоки на інші, можна досить легко та швидко мо­дернізувати ПК.

Архітектуру ПК зумовлюють потреби користувача. Го­ловне в них — структура та функціональні можливості ма­шини, які можна поділити на основні й додаткові.

Структура комп'ютера — це модель, що встановлює склад, порядок та принципи взаємодії її компонентів.

Клавіатура Миша

Рисунок 1.1. Загальний вигляд ПК

Основні функції визначають призначення ЕОМ: оброб­лення і зберігання інформації, обмін інформацією із зовнішніми об'єктами. Додаткові функції підвищують ефек­тивність виконання ЕОМ основних функцій: забезпечують ефективні режими її роботи, діалог з користувачем, високу надійність та ін. Ці функції ЕОМ реалізуються за допомо­гою її компонентів — апаратних і програмних засобів.

Достоїнствами ПК є:

• низька вартість;

• автономність експлуатації без спеціальних вимог до навколишнього середовища;

• гнучкість архітектури, що забезпечує її адаптивність до різноманітних застосувань у сфері управління, на­уки, освіти, побуту;

• «дружність» ОС та іншого програмного забезпечен­ня, що зумовлює можливість роботи з нею користу­вача без спеціальної професійної підготовки;

• висока надійність роботи (більш як 5 тис. год ек­сплуатації до відмови).

Розглянемо склад ПК і призначення його основних блоків, виходячи зі структурної схеми, зображеної на рис. 1.2.

Мікропроцесор. Він є центральним блоком ПК, при­значеним для керування роботою всіх блоків комп'ютера і виконання арифметичних та логічних операцій над інформацією. До нього входять логічні блоки (КП, АЛП), мікропроцесорна пам'ять (МПП) — складова частина, що забезпечує короткочасне зберігання, запис та видачу інформації, використовувану в обчисленнях у найближчі такти роботи комп'ютера. МПП будується на регістрах і використовується для забезпечення високої швидкодії ЕОМ, оскільки основна пам'ять не завжди забезпечує не­обхідну для швидкодійного МП швидкість запису, зчиту­вання, пошуку інформації. Регістри — найшвидкодійніші елементи пам'яті завдовжки 1—4 байти або більше.

Інтерфейсна система МП реалізує зв'язок з іншими пристроями ПК (через системну шину).

Генератор тактових імпульсів. Генерує послідовність електричних імпульсів, частота яких визначає тактову ча­стоту комп'ютера. Проміжок часу між імпульсами стано­вить такт.

Системна шина. Це основна інтерфейсна система ПК, що забезпечує взаємозв'язок усіх його пристроїв. Містить шину даних, шину адреси, шину керування та шину жив­лення, забезпечуючи три напрямки передачі інформації:

1) між МП й оперативною пам'яттю;

2) між МП і портами введення-виведення зовнішніх (відносно процесора та шини) пристроїв;

3) між основною пам'яттю і портами введення-виве­дення зовнішніх пристроїв (у режимі прямого доступу до пам'яті).

Рисунок 1.2. Структурна схема ПК

Усі блоки, а точніше "їхні порти введення-виведення, через відповідні уніфіковані рознімні з'єднання підключа­ються до шини безпосередньо або через пристрої сполу­чення — контролери (адаптери). У сучасних ПК керуван­ня шиною здійснюється контролером шини.

Основна пам'ять. Складається з ОЗП і ПЗП. ПЗП призначений для зберігання програми те­стування ПК, програми початкового його завантаження, базової системи введення-виведення (ВІО8). ОЗП слу­жить для оперативного запису, зберігання та зчитування інформації (програм і даних), безпосередньо бере участь в інформаційно-обчислювальному процесі, виконуваному ПК у поточний період часу. Головними достоїнствами ОЗП є його висока швидкодія і можливість звернення до кожного елемента пам'яті окремо (прямий адресний до­ступ до комірки). Але в ньому неможливо зберігати інформацію після вимкнення живлення ПК (енергозалежність). Ємність ОЗП сучасного ПК може становити 16, 32, 64, 128 Мбайт і більше.

Зовнішня пам'ять. її утворюють зовнішні (відносно МП та системної плати) пристрої ПК, використовується для довготривалого зберігання інформації. Зокрема, в зовнішній пам'яті зберігається все програмне забезпечен­ня комп'ютера. Вона містить різноманітні запам'ятовуючі пристрої. Найпоширеніші — НЖМД і НГМД, призначен­ня яких — зберігання великих обсягів інформації, запис і видача інформації за запитом в ОЗП. Різняться НЖМД та НГМД лише конструктивно, обсягом інформації, що зберігається, і часом пошуку, запису та зчитування її. Ємність сучасних НЖМД — від 2—4 до 40—75 Гбайт і більше (1 Гбайт = 10⁹ байт).

Як пристрої зовнішньої пам'яті застосовують також за­пам'ятовуючі пристрої на касетній магнітній стрічці (стри­мери), накопичувачі на оптичних дисках (компакт-диск із пам'яттю, що тільки читається) та ін.

Джерело живлення. Це блок, який містить системи ав­тономного й мережного енергоживлення ПК.

Таймер. Це внутрішній електронний годинник, що за­безпечує автоматичне зняття поточного моменту часу (рік, місяць, години, хвилини, секунди та частки секунд). Підключається до автономного джерела живлення — аку­мулятора і при вимкненні ПК продовжує працювати.

Зовнішні пристрої. Це найважливіша складова частина будь-якого обчислювального комплексу. Вартість їх іноді становить 50—80 % вартості всього ПК. Від їхніх складу та характеристик багато в чому залежать можливість й ефективність застосування ПК в системах управління і народному господарстві взагалі.

Зовнішні пристрої забезпечують взаємодію ПК з навколишнім середовищем: користувачами, об'єктами уп­равління та іншими ЕОМ. Вони дуже різноманітні і мо­жуть бути класифіковані за рядом ознак. Так, за призна­ченням можна виділити такі їхні види:

• зовнішні запам'ятовуючі пристрої (ЗЗП), або зовнішня пам'ять ПК;

• діалогові засоби користувача;

• пристрої введення інформації;

• пристрої виведення інформації;

• засоби зв'язку і телекомунікації.

Зовнішні запам'ятовуючі пристрої ПК — це ті самі за­пам'ятовуючі пристрої, але виконані як окремий конст­руктивний блок із, як правило, власним блоком живлен­ня. Часто вони мають велику ємність, іноді містять кілька накопичувачів в одному корпусі. ЗЗП допускають опера­тивне їх підключення до різних ПК (іноді одночасно). За наявності кількох ПК зручно мати один дорогий зовнішній пристрій для перезапису компакт-дисків, один-два пристрої для CD або магнітооптичних носіїв.

Діалогові засоби користувача — монітори, різноманітні пристрої введення та пристрої мовного введення-виве­дення інформації.

Монітор (дисплей) — пристрій для відображення інформації, що вводиться в ПК і виводиться з нього.

Пристрої мовного введення-виведення належать до за­собів мультимедіа. Пристрої мовного введення — це різні мікрофонні акустичні системи (наприклад «звукові миші») зі складним програмним забезпеченням, що дає змогу розпізнавати слова, ідентифікувати їх і видавати комп'ютеру відповідні команди або перетворювати мову на текст. Пристрої мовного виведення — це різні синте­затори звуку, які перетворюють цифрові коди на літери та слова, відтворювані через гучномовці (динаміки) або зву­кові колонки, приєднані до комп'ютера.

Пристрої введення інформації:

• клавіатура — пристрій для ручного введення число­вої, текстової і керуючої інформації в ПК;

• графічні планшети (діджитайзери) — пристрої для ручного введення графічної інформації, зображень переміщенням по планшету спеціального покажчика (пера) з одночасним автоматичним прочитуванням координат його місцезнаходження та введення цих координат у ПК;

• сканери (читаючі автомати) — пристрої для автома­тичного прочитування з паперових носіїв і введення в ПК машинописних текстів, графіків, малюнків, креслень;

• маніпулятори (пристрої вказівки — джойстик, миша, трекбол, світлове перо та ін.) — пристрої для введен­ня графічної інформації на екран монітора, керуван­ня рухом курсору по екрану з подальшим кодуван­ням координат курсору та введенням їх у ПК;

• сенсорні екрани — пристрої для введення окремих елементів зображення, програм або команд з поліек­рана дисплея у ПК.

Пристрої виведення інформації:

• принтери — друкувальні пристрої для реєстрації інформації на паперовому носію;

• графопобудовники (плотери) — пристрої для виведен­ня графічної інформації (графіків, креслень, ри­сунків) з ПК на паперовий носій. Бувають векторні з кресленням зображення за допомогою пера і рас­трові (термографічні, електростатичні, струминні та лазерні). За конструкцією поділяються на планшетні й барабанні. Основні характеристики плотерів при­близно однакові: швидкість креслення — 100— 1000 мм/с, у кращих моделей можливі кольорове зо­браження і передача півтонів; найбільшу роздільну здатність та чіткість зображення забезпечують ла­зерні плотери, але вони найдорожчі.

Пристрої зв'язку і телекомунікації використовують для зв'язку з приладами й іншими засобами автоматизації (інтерфейсні адаптери, цифро-аналогові та аналого-циф­рові перетворювачі тощо) і для підключення ПК до ка­налів зв'язку, інших ПК та комп'ютерних мереж (мережні інтерфейсні плати, модеми).

Зазначений на рис. 1.2 мережний адаптер є зовнішнім інтерфейсом ПК і служить для підключення його до ка­налу зв'язку з метою обміну інформацією з іншими ЕОМ, роботи в складі обчислювальної мережі. У глобальних ме­режах функції мережного адаптера виконує модем.

Багато з названих вище пристроїв належать до умовно виділеної групи — засобів мультимедіа.

Засоби мультимедіа (буквально: багатосередовищність). Це комплекс апаратних і програмних засобів, що дають змогу людині спілкуватися з комп'юте­ром, використовуючи найрізноманітніші, природні для се­бе середовища: звук, відео, графіку, тексти, анімацію та ін.

До них належать пристрої мовного введення і виве­дення інформації; сканери (дають змогу автоматично вво­дити в комп'ютер друковані тексти та малюнки); високо­якісні відео- і звукові плати та плати відеозахвату, що знімають зображення з відеомагнітофона або відеокамери і вводять його у ПК; високоякісні акустичні та відеовідтворювальні системи з підсилювача­ми, звуковими колонками, великими відеоекранами. До засобів мультимедіа відносять також запам'ятовуючі при­строї великої ємності на оптичних дисках, які використо­вують для запису аудіо- і відеоінформації.

Додаткові схеми. До системної шини та МП можуть бути підключені також деякі додаткові плати з інтеграль­ними мікросхемами, що розширюють і поліпшують її функціональні можливості: математичний співпроцесор, контролер прямого доступу до пам'яті, співпроцесор введення-виведення, контролер переривань та ін.

Плати розширення. Так називають електронні прист­рої, відсутні в первинній комплектації комп'ютера. їх за­стосовують для збільшення його потужності або розши­рення функціональних можливостей, хоча з точки зору конструкції контролери та плати розширення — часто од­не й те саме.

Математичний співпроцесор широко застосовується для прискореного виконання операцій над двійковими числами з рухомою комою і двійковокодованими десяте­ричними числами, а також для обчислення деяких трансцендентних, у тому числі тригонометричних, функцій. Ма­тематичний співпроцесор має свою систему команд і пра­цює паралельно (сумісно в часі) з основним МП, але під керуванням останнього. Прискорення операцій відбу­вається в. десятки разів. Останні моделі МП, починаючи з МП 486І)Х, мають у своїй структурі співпроцесор.

Контролер прямого доступу до пам'яті звільняє МП від прямого керування накопичувачами на магнітних дисках, що істотно підвищує ефективну швидкодію ПК. Без ньо­го обмін даними між ЗЗП та ОЗП здійснюється через регістри МП, а з ним цей обмін відбувається безпосеред­ньо, тобто минаючи МП.

Співпроцесор введення-виведення завдяки паралельній роботі з МП значно прискорює виконання процедур вве­дення-виведення інформації при обслуговуванні кількох зовнішніх пристроїв (дисплей, принтер, НЖМД, НГМД та ін.), звільняє МП від процедур введення-виведення, в тому числі реалізує режим прямого доступу до пам'яті.

Найважливішу роль відіграє в ПК контролер переривань. Переривання — це тимчасове припинення виконання однієї програми з метою оперативного виконання іншої, важливішої (пріоритетної) в певний момент програми. Пе­реривання виникають при роботі комп'ютера постійно. До речі, всі процедури введення-виведення інформації виконуються за перериваннями. Наприклад, переривання від таймера виникають й обслуговуються контролером переривань 18 разів за секунду (звичайно, користувач їх не помічає).

Контролер переривань обслуговує процедури перери­вання, приймає запит на них від зовнішніх пристроїв, ви­значає рівень пріоритету цього запиту і видає сигнал пере­ривання в МП, який, одержавши цей сигнал, припиняє виконання поточної програми, переходячи на виконання спеціальної програми обслуговування того переривання, яке запитало зовнішній пристрій. Після завершення про­грами обслуговування відновлюється виконання перерва­ної програми. Контролер переривань є програмованим.

Показана на рис. 1.2 структурна схема ПК є спроще­ною. Вона стосується першого та частково другого по­колінь ПК (РС, ХТ і перші машини класу АТ), відрізня­ючись від структурних схем сучасних ПК передусім ре­алізацією внутрімашинного системного інтерфейсу.

У застарілих ПК як системний інтерфейс застосовува­лася системна шина (це й відображено на рисунку). В су­часних обчислювальних системах використовують інші схеми. Сучасні ПК характеризуються:

• стрімким зростанням швидкодії процесорів (вже МП Pentium першого покоління теоретично може вида­вати дані зі швидкістю 528 Мбайт/с по 64-розрядній шині даних, і це всього при тактовій частості шини 66 МГц);

• зростанням швидкодії інших пристроїв (так, для відображення цифрового повноекранного відео пропускна здатність відеопідсистеми має становити 22 Мбайт/с);

• появою програм, що потребують виконання великої кількості інтерфейсних операцій (програми оброб­лення графіки ).

За цих умов пропускна здатність шини розширення, що обслуговує відносно повільні пристрої, неповною мірою узгоджується з роботою швидкодійного ЦП, опера­тивної та кеш-пам'яті. Розробники, пройшовши кілька етапів (шина І5А, ЕІ5А, локальна шина УЕ5А), реалізува­ли приблизно таку схему внутрімашинного інтерфейсу ПК, яку показано на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Схема реалізації внутрімашинного інтерфейсу сучасних ПК

Процесор, оперативна- і кеш-пам'ять сполучені між собою найшвидкодійнішою та найширшою шиною (66— 133 МГц, 64 біт). Саме цю ділянку ПК називають сист­емною шиною. Мікросхеми чіпсету надвеликої інтегральної схеми (НВІС) керування на системній платі виконують функції мостів між шинами з більшою і меншою пропускними здатностями. Окремо виділяється спеціальна шина АСР, призначена для підключення єдиного, але "найненаситнішого" споживача пропускної здатності шини — відеоадаптера.

Порядок виконання роботи

1. Уважно повторіть основні положення теоретичної частини.

2. Розгляньте апаратні засоби Вашого ПК. Повторіть означення та призначення складових частин апаратних засобів ПК.

3. Створіть у будь-якому відомому Вам текстовому редакторі тест по запропонованій Вам темі. Тест повинен містити 10 питань. До кожного питання введіть 4 відповіді, одна з яких правильна.

4. Продемонструйте викладачу результати виконаної роботи. Заповніть таблицю за зразком:

   Покоління ЕОМ	Елементна база	Засоби діалогу «машина – людина»	Переваги	Недоліки

5. Підготуйте звіт відповідно встановленого зразку. Звіт повинен містити створені Вами тест та таблицю.