Лекции по дисциплине «Информатика», этаф кгэу, 2002-2003 уч.Г., II семестр

Структура персонального компьютера

Архитектура ЭВМ — это многоуровневая иерархия аппаратурно-программных средств, из которых состоит ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. К наиболее существенным свойствам архитектуры и характеристикам ЭВМ общего назначения можно отнести: 1) универсальность; 2) совместимость; 3) развитое программное обеспечение; 4) агрегатность технических средств и широкая номенклатура внешних (периферийных) устройств; 5) высокая технологичность; 6) соответствие широко распространенным стандартам.

1) Универсальность обеспечивает возможность одинаково решать задачи различных клас-сов практически для всех областей деятельности. Это достигается прежде всего:

— универсальной системой команд, содержащей кроме операций двоичной арифметики полный набор операций десятичной арифметики с операндами (т.е. элементами данных, над кото-рыми выполняется операция);

— универсальной логической структурой, имеющей обязательные (стандартные) аппаратные и программные средства для всех моделей ЭВМ, образующих единое семейство;

— сбалансированностью входящих в нее устройств по быстродействию и потокам информа-ции между ними.

2) Совместимость достигается аппаратно-программными средствами с целью создания еди-ного прикладного и системного программного обеспечения для всех моделей ЭВМ общего назна-чения одного семейства. За счет совместимости обеспечивается одинаковость результатов про-грамм и перенос программных средств между различными моделями ЭВМ. Достижение полной совместимости (абсолютной) представляется очень сложной задачей, поэтому в большинстве слу-чаев ограничиваются частичной совместимостью, а именно, совместимостью «снизу — вверх», при которой программы, разработанные для менее мощной ЭВМ (младшей), должны обязательно и с тем же результатом проходить на более мощной ЭВМ (старшей). Перенос «сверху — вниз» ограничен. Но даже в этом случае должна обеспечиваться совместимость по крайней мере на 4-х уровнях аппаратно-программных средств: 1) операционной системы и пакетов ее расширяющих; 2) языковых интерфейсов; 3) системы программ; 4) пользовательских средств.

3) Развитие программного обеспечения ориентированного на конкретные структурные и функциональные возможности аппаратуры, позволяющие эффективно решать задачи пользовате-ля. Для ЭВМ общего назначения ОС стала неотъемлемой частью, представляющей собой про-граммное расширение аппаратных средств ЭВМ.

4) Агрегатный принцип построения технических средств, стандартный интерфейс ввода-вывода, позволяющий подключать различные по назначению периферийные устройства (ПУ) ши-рокой номенклатуры; в совокупности с программным обеспечением позволяют строить конкрет-ный вычислительный комплекс, наиболее подходящий для заданного применения с учетом требо-ваний и производительности, функциональным возможностям и набору ПУ.

5) Высокая технологичность обеспечивает возможность крупносерийного производства и высокую технико-экономическую эффективность ЭВМ общего назначения.

6) Соответствие стандартам позволяет обеспечить совместимость с мировым парком ЭВМ общего назначения в части представления информации, способов сопряжения и организации об-мена данными.

Обычно персональный компьютер состоит из трех частей — системного блока, клавиатуры, монитора. Компьютеры выпускаются также в портативном варианте — как дипломат (лэптоп), блокнотном (ноутбук) и карманном (palm, КПК) исполнении. Здесь системный блок, монитор и клавиатура заключены в один корпус: системный блок "спрятан" под клавиатурой, а монитор сде-лан как крышка к клавиатуре. В некоторых реализациях привычная клавиатура может вовсе отсут-ствовать.

Системный блок выглядит наименее эффектно, но именно он является в главным. В нем рас-полагаются все основные узлы компьютера:

— электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессоры, оперативная

память, контроллеры устройств);

— блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток низкого напряже-ния, подаваемый на электронные схемы компьютера;

— устройства для чтения и чтения/записи информации на переносимые накопители (диске-ты, компакт-диски или DVD-диски, дискеты JAZ, ZIP, PC-карты и т.д.);

— накопитель на жестких магнитных дисках, предназначенные для чтения и записи на не-съемные жесткие магнитные диски (винчестер).

Микропроцессор, также часто называемый ЦПУ (CPU - central processing unit) – важ-нейший элемент компьютера, так как им в основном определяется скорость работы компьютера. Со времени появления персональных компьютеров (ПК) сменилось несколько поколений процес-соров, начиная с модели под названием «8088», и заканчивая «Pentium IV» сегодня, причем это не предел, полным ходом идет разработка новых моделей и новых технологий, призванных сменить микропроцессорную технологию тогда, когда она исчерпает свои возможности.

Процессоры персональных компьютеров, совместимых с IBM PC, основаны на оригиналь-ном дизайне Intel (Integrated Electronics). Первым примененным в этой серии процессором был ин-теловский чип 8088. В то время Intel располагал также более мощным процессором 8086, но 8088 был выбран по соображениям экономии: его 8-битная шина данных допускала более дешевые сис-темные платы, чем 16-битная у 8086. Также во время проектирования первых PC большинство доступных интерфейсных микросхем использовали 8-битный дизайн. Те первые процессоры даже не приближаются к мощи, достаточной для запуска современных приложений.

Третье поколение процессоров, основанных на Intel 80386SX и 80386DX, были первыми применяемыми в PC 32-битными процессорами. Кроме того, 386SX был 32-разрядным только внутри, поскольку он общался с остальными устройствами по 16-разрядной шине. Это значит, что данные между процессором и остальным компьютером перемещались на вдвое меньшей скорости, чем у 386DX.

Четвертая генерация процессоров была также 32-разрядной. Однако они предлагали ряд усо-вершенствований. Во-первых, была полностью пересмотрена архитектура, что само по себе уд-воило скорость. Во-вторых, все они имели 8kb внутреннего встроенного кэша. Такое кэширование передачи данных от основной памяти значило, что среднее ожидание процессора запросов к памя-ти на системной плате сократилось до 4%, поскольку, как правило, необходимая информация уже находилась в кэше.

Важной инновацией было удвоение частоты, введенное в 486DX2. Это значит что внутри процессор работает на удвоенной по отношению ко внешней электронике скоростью. Данные ме-жду процессором, внутренним кэшем и сопроцессором передаются на удвоенной скорости, приво-дя к сравнимой прибавке в производительности. 486DX4 развил эту технологию дальше, утраивая частоту до внутренних 75 или 100MHz, а также удвоив объем первичного кэша до 16kb.

Pentium, следующее поколение процессоров, значительно превзошел в производительности предшествующие 486 чипы благодаря нескольким архитектурным изменениям, включая увеличе-ние ширины шины до 64 бит. Процессор P55C MMX сделал дальнейшие значительные усовер-шенствования, удвоив размер первичного кэша и расширив набор инструкций оптимизированны-ми для мультимедиа-приложений операциями.

Pentium Pro, появившись в 1995 году как наследник Pentium, был первым в шестом поколе-нии процессоров и ввел несколько архитектурных особенностей, не встречавшихся ранее в мире PC. Pentium Pro стал первым массовым процессором, радикально изменившим способ выполнения инструкций переводом их в RISC-подобные микроинструкции и выполнением их в высокоразви-том внутреннем ядре. Он также замечателен значительно более производительным вторичным кэшем относительно всех прежних процессоров. Вместо использования базирующегося на сис-темной плате кэша, работающего на скорости шины памяти, он использует интегрированный кэш второго уровня на своей собственной шине, работающей на полной частоте процессора, обычно в три раза быстрее кэша на Pentium-системах.

Следующий новый чип после Pentium Pro Intel представил спустя почти полтора года - поя-вился Pentium II, давший очень большой эволюционный шаг от Pentium Pro. Это распалило спеку-ляции, что одна из основных целей Intel в производстве Pentium II был уход от трудностей в изго-товлении дорогого интегрированного кэша второго уровня в Pentium Pro. Архитектурно Pentium

II, а также следующие за ним Pentium III и ранние модели Pentium IV, не очень отличаются от Pentium Pro с подобным эмулирующим x86 ядром и большинством схожих особенностей.

Одно из новейших усовершенствований архитектуры, примененное в процессорах Pentium IV — так называемый hyper-threading, благодаря которому процессор, представляющий собой од-но физическое устройство, остальными устройствами компьютера видится как два процессора. По сути, мы получаем двухпроцессорную рабочую станцию.

Итак, параметры процессора:

— разрядность – ширина "такта", по которому передается информация: 8, 16, 32 или 64 би-та;

— тактовая частота, характеризующая число команд, выполняемых процессором за одну секунду (измеряется в мегагерцах (МГц)). Обычно по тактовой частоте сравнивают быстродейст-вие процессора в пределах одного семейства.

Микропроцессор включает в себя:

— арифметико-логическое устройство, которое выполняет операции (микрооперации), не-обходимые для выполнения команд микропроцессора;

— устройство управления, управляет всеми частями компьютера посредством принципов программного управления;

— микропроцессорная память (МПП). В микропроцессоре есть несколько ячеек собствен-ной памяти, они называются регистрами. Некоторые из них предназначены для хранения операн-дов – величин, участвующих в текущей операции. Такие регистры называются регистрами общего назначения.

Регистр команд предназначен для хранения текущей команды. В регистре – счетчике команд хранится текущий адрес. Перед выполнением программы необходимо задать ее начальный адрес – записать его в счетчик команд.

Через интерфейсную систему, основу которой составляет системная шина персонального компьютера, микропроцессор соединяется с:

а) основной памятью компьютера:

— оперативное запоминающее устройство (RAM) хранит работающую программу и дан-ные;

— постоянное запоминающее устройство (ROM) хранит информацию, которая необходима для постоянной работы.

RAM и ROM разбиты на ячейки, каждой из которых присвоен порядковый номер (адрес).

б) внешней памятью:

— накопители на жестких магнитных дисках – устройства с несъемными носителями (вин-честеры). Жесткие диски служат для постоянного хранения в компьютере программ и данных. Выполнение большинства современных прикладных программ без них невозможно. Обычно жесткие диски, в отличие от имеющих меньшую емкость дискет, нельзя снять, поэтому их иногда называют несъемными дисками. Существуют и съемные жесткие диски. Они ценны, когда нужно сохранять конфиденциальность информации и как средство переноса больших объемов данных между компьютерами. Емкость современных накопителей на жестких магнитных дисках достига-ет многих Гбайт.

— в качестве переносимых носителей информации более популярны накопители на оптиче-ских дисках (CD, DVD) благодаря большой емкости и надежности, а также крайне невысокой стоимости.

— накопители на гибких магнитных дисках. Для данных накопителей носителями являются дискеты (флоппи-диски), в последнее время постепенно выходящие из повсеместного использова-ния по причине невысокой надежности и малого объема.

в) с монитором через видеоадаптер.

г) с принтером через адаптер принтера.

д) с источником питания.

ж) с каналом связи через сетевой адаптер.

— сетевой адаптер дает возможность подключить компьютер в локальную сеть. При этом пользователь может получать доступ к данным, находящимся на других компьютерах.

з) с таймером

— таймер – внутренние электронные часы, которые подключены к автономному источнику питания (аккумулятору), продолжающие работать даже после отключения машины от питающей сети).

и) с клавиатурой

к) с математическим сопроцессором

— обычно универсальные микропроцессоры относительно медленно выполняют арифме-тические операции над числами с плавающей запятой. Это объясняется тем, что они работают с целыми числами, и при использовании чисел, представленных в другой форме, им требуются до-полнительные команды преобразования. Для ускорения выполнения арифметических операций часто используется отдельный процессор, называемый математическим сопроцессором. Он вы-полняет арифметические операции над числами с плавающей запятой самостоятельно, без допол-нительных программных средств. Благодаря этому скорость вычислительного процесса возрастает в несколько раз.

Общие сведения о периферийных устройствах ПК

Различные типы периферийных устройств, подключаемых к компьютерной системе, играют важную роль в ее работе. Они в значительной степени определяют возможности использования компьютеров и их технические характеристики. Широкий ассортимент выпускаемых периферий-ных устройств позволяет выбирать те из них, с которыми профессиональные компьютеры исполь-зуются наиболее эффективно в различных областях деятельности.

В зависимости от функций, выполняемых компьютерной системой, периферийные устройст-ва могут подразделяться на две основные группы. К первой относятся те периферийные устройст-ва, наличие которых абсолютно необходимо для функционирования компьютерной системы. Их обычно называют системными периферийными устройствами. К этой группе относятся видеомо-нитор, клавиатура, мышь, накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД).

Ко второй группе периферийных устройств относятся накопители на магнитной ленте, уст-ройства для ввода графической информации, печатающее устройство (принтер, плоттер), модем, сканер, аудиоплата, мышь или трекбол, коммуникационные адаптеры и другие. Они предоставля-ют профессиональному компьютеру дополнительные возможности. Однако наличие их в его кон-фигурации определяется конкретной областью деятельности. В связи с этим данная группа носит название дополнительных периферийных устройств.

Следует отметить, что со временем требования могут меняться. Так, прежде мышь не явля-лась системным периферийным устройством, поскольку для ввода информации и реализации ин-терфейса вполне достаточно было клавиатуры с монитором. Сейчас работа с персональным ком-пьютером без мыши хоть и возможна, но крайне затруднена. С другой стороны, некоторые кар-манные ПК, получающие в последнее время все большее распространение, вовсе обходятся без клавиатуры и мыши.

Многие периферийные устройства подсоединяются к компьютеру через специальные гнезда (разъемы), находящиеся обычно на задней стенке системного блока компьютера. Кроме монитора и клавиатуры, такими устройствами являются:

— принтер – устройство для вывода на печать текстовой и графической информации; — мышь – устройство, облегчающее ввод информации в компьютер;

— сканер — устройство для ввода графической информации в компьютер;

— акустическая система — обычные или продвинутые звуковые колонки;

— джойстик – манипулятор в виде укрепленной на шарнире ручки с кнопкой, употребля-

ется в основном для компьютерных игр;

а также другие устройства.

Некоторые устройства, например, многие разновидности сканеров, используют смешанный способ подключения: в системный блок компьютера вставляется только электронная плата (кон-троллер), управляющая работой устройства, а само устройство подсоединяется к этой плате кабе-лем.

угой (например при перемещении окна), заливка участков изображения, рисование линий, дуг, шрифтов, аппаратная поддержка курсора и т. п. Прямым толчком к развитию столь специализированного устройства явилось то, что применение графического пользователь-ского интерфейса требует от центрального процессора немалых вычислительных ресурсов, и при этом востребовано пользователем в силу удобства. Современный графический ускоритель как раз и призван снять с центрального про-цессора львиную долю вычислений по окончательному выводу изображения на экран.

Вычислительным центром графического ускорителя является графический процессор (англ. Graphics Processing Unit, GPU). Современные графические процессоры имеют специализированную архитектуру, благодаря которой на-много эффективнее в обработке графической информации, чем центральный процессор. Однако эта архитекту

1.1	Видеокарта

Видеока7рта (известна также как графи7ческая пла7та, графи7ческий ускори7тель, графи7ческая ка7рта, видеоада7птер) (англ. videocard) — устройство, преобразующее изображение, находящееся в памяти компьютера, в видеосигнал для монитора. Современные видеокарты имеют встроенный графический микропроцессор, производящий дополнительную обработку изображения вместо центрального процессора. Видеокарта может быть выполнена как отдельное устройство либо встроена в системную плату.

Один из первых графических адаптеров для IBM PC появился в 1981 году. Он работал только в монохромном текстовом режиме с разрешением 80×25 символов и поддерживал пять атрибутов текста: обычный, яркий, инверсный, подчёркнутый и мигающий. Никакой цветовой или графической информации он передавать не мог, цвет букв опреде-лялся моделью монитора.

Спустя несколько лет появились цветные видеоадаптеры, также появилась поддержка графического режима, то есть стало возможным выводить произвольные графические изображения на монитор. Дальнейшее развитие адапте-ров привело к устройствам, способным обрабатывать изображения, характеризующиеся высоким разрешением – не-сколько тысяч пикселов в ширину и высоту – и цветностью – до 4 млрд. оттенков на каждую точку. Максимальное разрешение зависит от объема памяти, доступного видеоадаптеру, а также определяется его быстродействием.

Графический пользовательский интерфейс, появившийся в середине 80-х годов прошлого века, стимулировал новый этап развития видеоадаптеров. Появилось понятие «графический ускоритель» (graphics accelerator). Это видео-адаптер, который производит выполнение ряда графических функций на аппаратном уровне. К числу этих функций относятся, перемещение больших блоков изображения из одного участка экрана в др ра от-личается весьма ограниченным набором команд, благодаря чему применение графического процессора в других целях неэффективно.

Основные характеристики видеокарты:

– производитель – nVidia (GeForce), ATI/AMD (Radeon), Intel;

– объем видеопамяти;

– быстродействие видеопамяти;

– аппаратная поддержка трехмерных библиотек (DirectX, OpenGL);

– охлаждающая подсистема. (пояснить)

Существуют также специализированные видеоадаптеры, предназначенные для использова-ния в системах видеомонтажа, инженерного проектирования и т.д. Микропроцессоры в таких ви-деокартах разработаны с учетом специфики решаемых задач. Например, это видеокарты компании 3DLabs.