Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
2.(Бурса).doc
Скачиваний:
28
Добавлен:
05.03.2016
Размер:
9.95 Mб
Скачать

Глава 1. Принципы работы и устройство компьютера введение

Информатика - фундаментальная наука, изучающая процессы накопления,

обработки и передачи информации с помощью компьютера1.

Цель дисциплины - дать знания о:

 принципах работы и устройстве компьютера;

 методах решении прикладных задач с помощью компьютеров: моделировании и алгоритмизации вычислительных процессов, разработке новых и способах испо­льзования существующих программ обработ­ки информации.

Базовые понятия информатики:

Информация - от­ражение2 характеристик объектов реального мира, являющееся предметом нако­пления, обработки и передачи с приме­нением компьютера. Обработка информа­ции - процесс закономерного изменения представления и содержания информации. Ком­пь­ютер - фи­зиче­с­кая система, представляющая собой совокупность аппаратных (Hardware) и про­грам­мных (Software) средств, предназ­начен­ная для исполнения программ авто­ма­тизи­ро­­ванной обработки информации. Программа - упорядоченное множество ко­манд, реализу­ющих алгоритм решения задачи. Алгоритм - упорядоченное множе­ство фор­ма­ль­ных предписаний, выпол­нение которых приводит к решению задачи. Команда - элементарная инструкция, записанная на формальном язы­ке и опреде­ляю­щая действия (операции) компьютера по обработке указанных в ко­манде дан­ных (операн­дов).

Ядро Информатики определяют взаимосвязанные технические и программ­ные средства.

Принципы работы и устройство компьютера

Первый персональный компьютер "Apple" разработали Стив Джобс и Стив Возняк в 1977 году. В 1981 году фирма IBM выпустила первую модель персо­наль­но­го компьютера IBM PC (рис. 1), выгодно отличающуюся дружественным диалогом (спо­соб­ностью вести обмен ин­формацией на визуально-комфортном экране).

Совре­менный персональный компь­ютер построен по принципу откры­той архитек­ту­ры, в соответствии с которым возможно дополнение компьютера новыми ком­по­нентами без замены и с заменой старых по технологии "plug & play"3.

Рис. 1

Компьютер принципиально состоит из трех взаимосвязанных и взаимодей­ствующих основных частей: память, процессор, периферийные устройства (рис. 2).

Процессор Память

RAM ROM

Обработчик команд

счетчик команд,

устройство

управления Системная шина

Обработчик данных

Устройства ввода Устройства вывода

Клавиатура, мышь, Монитор,

АЛУ, регистры джойстик, сканер, принтер, ...,

сопроцессор световое перо, ...

Внешняя память (на периферийных устройствах)

Дискет, винчестер, CD ROM, магнитная лента, ...

Периферийные устройства

Рис. 2

Память компьютера - электронное устройство (рис. 3), предназначенное для

хранения информации и программы ее обработки.

Рис. 3

Атомарный элемент памяти называется бит (bit -bina­ry digit) или разряд и может находиться либо в состоянии вклю­чен (это состояние кодиру­ется цифрой 1), либо выключен (0). Комбинированием состояний 8 последователь­ных битов, называемых байт, можно закодировать любой из 256 перенумерованных символов таблицы ASCII - алфавита компьютера (например, сим­вол 'S' кодируется комбинацией битов '01110011'). Таблица ASCII содержит:

основной алфавит (символы с номерами 0..127), включающий буквы латинс­ко­го алфави­та A..Z (заглавные и строчные), арабские цифры 0..9, символы пун­кту­а­ции и специальные символы; вот обозначения и названия некоторых из них:

~ - тильда, ! - акцент, @ - эт, # - хэш, $ - бакс, ^ - карэт, & - амперсэнд, * - стар,

|- пайп, / - слеш, \ - бакслеш. В основном алфавите символы с номерами 0..31 - это неотображаемые управляющие коды, предназначенные для изменения режимов работы периферийных уст­ройств (например, посылка символа с номером 13 на печатающее устройство за­ставляет головку принтера вернуться к началу строки);

дополнительный алфавит (с номерами 128..255), включающий буквы национа­ль­ного алфавита, символы псевдографики (для обрамлений текстов) и др.

Память компьютера структурно состоит из ячеек и построена в соответст­вии с прин­ци­­пами фон Неймана:

1. Принцип произвольного доступа к основной памяти (адресности) гласит:

в произвольный момент времени любая ячейка доступна для чтения и записи

инфор­мации, причем время доступа к информации одинаково для всех ячеек”.

Для доступа к содержимому ячеек их нумеруют числами, называемыми адреса­ми. Общее количество ячеек определяет объем памяти компьютера и измеряется в следующих единицах: К (ки­лобайт) =1024 (210) байта, М (мегабайт)=1024 К,

Г (гигабайт)=1024 М, Т (те­рабайт) =1024 Г.

2. Принцип хранимой программы (программного управления) гласит:

способ хранения программы обработки данных в памяти компьютера ничем не

отличается от способа хранения обрабатываемых этой программой данных”.

Т.о. компьютер может решать любые задачи, поскольку для этого дос­таточно заменить в его памяти программу и данные. Этот принцип лежит, напри­мер, в осно­ве работы специальных программ-трансляторов, преобразующих ис­ходные прог­раммы, написанные на каком- либо языке программирования (здесь они уже выс­ту­пают в ипостаси данных), - в машинные команды программы работы компьютера.

Информация (обрабатываемые данные и команды программ) хранится в па­­­мяти компьютера в виде набора нулей и единиц (в двоично-кодированном виде) и

описывается по правилам применяемых систем счисления.

Системой счисления называется совокупность: множества символов, способа изображения с их помощью чисел и правил действий над числами. В компьютерах применяются следующие системы счисления: двоичная (числа кодируются с помощью цифр 0 и 1), восьмеричная (числа кодируются цифрами 0..7), шестнадцатеричная (числа ко­дируются цифрами 0..9 и буквами A..F, обозначающими цифры 10..15). С целью сохранения совместимости с об­щепринятой у людей применяется также десятичная система счисления (числа ко­дируются цифрами 0..9). Осно­в­­ная система счисления компьютера - двоичная, по­скольку один бит может хранить лишь один из двух символов (0 или 1). Восьмерич­ная (8=23) и шестнадцатеричная (16=24) системы счисления - производные от дво­ичной. Количество цифр для представления любых чисел называется основанием системы счисления (напри­мер, осно­ванием двоичной системы счисления является число 2, десятичной - 10). Позиционной называется система счисления, в ко­то­рой величина числа определяется позициями составляющих его цифр. Например, с помощью цифр 6, 7, 8 можно записать числа 678, 768, 867 и т.д., различные по вели­чине.

Для преобразования целого положительного числа из десятичной системы

счисления в любую другую необходимо последовательно делить число на осно-

вание требуемой системы счисления с выделением остатков, а затем запи-

сать число, составив его из остатков, записанных в обратном порядке.

Пример: преобразовать число 19 из десятичной системы счисления в двоичную:

19(10) = ?(2)

Решение :

19 : 2 = 9 (остаток1 = 1) 9 :2 = 4 (остаток2 = 1) 4 :2 = 2 (остаток3 = 0) 2 : 2 = 1 (остаток4 = 0, остаток5 = 1) 5432 10

В результате преобразований имеем: 19(10) = 10011(2)

Для преобразования целого положительного числа из любой системы счисле-

ния компьютера в десятичную необходимо использовать свойство позицион-

ности систем счисления. Над числом справа налево проставляются разряды

цифр и составляется сумма из произведений цифр на основание системы счи­-

сления в степени "позиция цифры".

4 3 2 1 0

Пример: 10011(2) = 124 + 023 +022 + 121 + 120 = 16 + 0 + 0 + 2 + 1 = 19(10)

Один байт может хранить число в диапазоне 0..255 (11111111(2) = 255), два байта - число в диапазоне 0..65535 и т.д.

Память компьютера конструктивно состоит из:

оперативного запоминающего устройства;

постоянного запоминающего устройства;

условно-постоянной памяти;

памяти периферийных устройств.

Оперативное запоминающее устройство (RAM - Random Access Memory) - область памяти, предназначенная для запоминания исходных данных и результатов расчетов в течение одного сеанса работы с компьютером. Конструктивно RAM выполнена в виде интегральных микросхем4 и допускает выполнение операций чте­ния / записи данных. Информация, содержащаяся в RAM, теряется при вы­ключе­нии или перезагрузке компьютера. При включении компьютера RAM хранит "мусор", т.е. случайные данные, неопределенные ни по величине, ни по знаку.

RAM подразделяется на:

базовую (объемом 1088К); из нее 64К занимает так называемая HMA-память, 384К - UMA-память, а оставшаяся базовая память объемом 640К может использо­ваться прикладными программами для работы;

отображаемую (expanded или EMS) (до 32М), которая реализуется специаль­ной аппаратной платой. Эта память разбивается на логические страницы по 16К и с по­мощью специального механизма их виртуального отображения окнами (окно =4 страницам) становится доступ­ной прикладным программам. Современный процес­сор может непосредственно управлять памятью до , однако память более доступна только в "защищенном" режиме его работы, в котором без специальной программы-драйвера не могут работать некоторые программы;

расширенную (extended или XMS) (до ), которая реализуется специальной ап­паратной платой. Эта память разбивается на логические блоки и с помощью ме­ханизма их виртуального отображения становится доступной прикладным про­г­раммам.

Постоянное запоминающее устройство (ROM - Read Only Memory) - об­ласть памяти, предназначенная для хранения программ базовой системы ввода/вы­вода (BIOS - Base Input / Output System), взаимодействующих с аппаратурой компьютера на уровне конструктивных особенностей, в том числе программы первона­чальной загрузки компьютера и справочной таблицы ASCII. Конструктивно ROM выпол­нена в виде интегральных микросхем и допускает выполнение только операций чтения данных. Информация, содержащаяся в ROM, не теряется при выключе­нии или перезагрузке компьютера.

Условно-постоянная память (CMOS) - область памяти, предназначенная для хранения параметров текущей конфигурации аппаратуры компьютера (таймера, накопителей на дисках, памяти и т.п.). Конструктивно CMOS изготовлена в виде

ин­тегральных микросхем по технологии Complementary Metal Oxide Semiconductor5 и

допускает выполнение опе­раций чтения / записи данных. Информация, содержаща­яся в CMOS, не теряется при выключении или перезагруз­ке компьютера, поскольку эта память питается от встроенного в компьютер акку­мулятора.

Компьютер комплектуется также памятью периферийных устройств (cach, буферной и т.п.) для освобождения процессора от оперативного уп­равления обменом данными с периферийными устройствами. Например, память с шестнадцатеричными адресами A0000..BFFFF расположена на схемах управления дисплеем, и монитор отображает содержимое этой памяти.

Процессор - устройство, обрабатывающее информацию в соответствии с

прог­раммой и управляющее памятью и периферийным обору-

дованием (рис. 4).

Рис. 4

Процессор конструктивно объединяет взаимодействующие обработчик команд и обработчик дан­ных.

Обработчик команд состоит из:

счетчика команд, выбирающего очередную команду программы из памяти;

устройства управления, которое выделяет из команды адреса ячеек данных,

код операции и организует передачу управления счетчику команд.

Обработчик данных состоит из:

арифметико-логического устройства, выполняющего операции, предусмотрен­ные командой;

регистров - ячеек особой высокоскоростной памяти для хранения данных, необходи­мых на ближайших этапах обработки данных;

сопроцессора - специализированного математического процессора для обработки смешанных (floating point) 80-битовых чисел.

Процессор “общается” с RAM и периферийными устройствами через общую системную информационную шину (system bus) посредством портов - специаль­ных аппаратных регистров, имеющих уникальные имена-пароли сообщений для конкретных устройств (рис. 5). За каждым устройством закреплены конкретные номера портов, например, за клавиатурой и динамиками закреплены порты 60..63.

Принцип действия общей шины предусматривает:

 равноправность позиций всех внешних устройств;

 присутствие единственного внешнего устройства, ответственного за порт;

 унификацию языка общения процессора с периферийными устройствами за счет передачи по шине только следующих сообщений:

 записать число А в ячейку памяти с адресом М и прочитать число А из ячейки памяти с адресом М;

 записать число А в порт N (эта команда изменяет режим работы периферийного устройства) и прочитать число А из порта N (состояние порта).

Внешнее устройство 1 Внешнее устройство 2 . . .

Порты Общая

шина

Внешнее устройство 3 Внешнее устройство 4 . . . Рис. 5

Системная информационная шина состоит из шин: данных, адреса и управления и осуществляет пересылку данных внутри компьютера между про­цессором и периферийными устройствами и между периферийными устройст­вами, минуя процессор. Шина характеризуется: типом (ISA, EISA, PCI, AGP и др.), тактовой час­тотой, составляющей 8..70 МГц, и количе­с­твом магистралей6, называемых шириной или разрядно­стью шины (16 или 32).

С ROM процессор “общается” с помощью системы прерываний. Прерыва­ние - сигнал-заказ в шине от периферийных устройств или программ на срочное выполнение какого-либо действия, прерываю­щий выполнение основной про­грам­мы. На возникшее событие7 реагируют закрепленные за событиями специальные прог­раммы - векторы прерываний (ISR). После обработки сигнала ISR выполне­ние прерванной программы продолжается.

Процессор персонального компьютера IBM PC - сверхбольшая интеграль­ная схема8 серии Intel (8086, 80286, 80386, 80486), Pentium, .., PowerPC, Digital Alpha и характеризуется:

разрядностью (16, 32 или 64), которая определяет величины обрабатываемых

чисел и производительность;

тактовой частотой, измеряемой в мегагерцах (10..600 МГц), или реже быстродейст­вием, которое составляет 3106..1010 операций в секунду;

шириной шин: управления, данных (влияет на скорость общения процессора с памя­тью) и адреса (ограничивает общий объем памяти компьютера).

Первый 16-разрядный микропроцессор 8086 с тактовой частотой 10 Мгц и 20-раз­ряд­­ной шиной адреса мог работать только в реальном режиме (однопрог­рам­мном), в котором процессор общается с не более чем памяти с помощью фи­­зических ад­ресов и все машинные команды разрешены любой программе.

16..64-разрядные микропроцессоры 80286.. Digital Alpha с тактовой частотой 40.. 600 Мгц и 32-разрядными шинами адреса и данных могут работать в защищенном режиме, имеют аппаратные средства организации виртуальной ("ка­жу­­щей­ся") па­мяти до 64Т (!) и поддержки мультипрограммного режима работы. В этом ре­жи­ме параллельно друг с другом может выполняться несколько прог­рамм, причем каждой программе выделяется виртуальный участок памяти и привилегии по ис­по­ль­зованию машинных команд, так что программы изолируются в памяти друг от друга и не мешают друг другу нормально выполняться.

Конструктивно компьютер состоит из следующих компонентов: базового комплекта (системного блока, дисплея, клавиатуры, манипулятора “мышь”) и до­полнительного периферийного оборудования (прин­тера, модемов, мульти­медий­но­го, сетевого и др. оборудования).

Системный блок - металлическая коробка со съемной крышкой (рис. 6), содер-

жащая в себе основные аппаратные части компьютера :

блок питания, материнскую плату с установленными микросхемами: процессора, сопроцессора, памяти, системные часы (“таймер”), встроенный динамик, устройство для работы с компакт-дисками (CD-ROM), накопители на жестких (“винчес­тер­­ских") дисках, накопители на гибких (“флоппи”) дисках, контролеры дисководов, платы: сетевые, ввода / вывода данных, адаптеров периферийных устройств, и других устройств, соединенные с материнской платой разъемами или многожи­ль­ными кабелями.

Рис. 6

На передней панели системного блока расположены клавиши управления ком­пьютером:

Power для включения / выключения питания компьютера;

Reset, при нажатии которой выполняется программа первоначальной загрузки компьютера; этой клавишей можно воспользоваться при “зависании” компьютера, когда он не реагирует на нажатия клавиш клавиатуры и другие манипуляции с пе­риферийными устройствами;

Turbo, нажатие которой увеличивает скорость производимых процессором операций; скорость индицируется жидкокристаллическим табло на передней па­не­ли системного блока.

На задней панели системного блока в отверстиях-слотах расположены много­

штырьковые разъемы (коннекторы) плат, соответствующие портам ввода / вывода

дан­ных и служащие для подключения к компьютеру периферийного оборудования.

Таймер - счетчик импульсов кварцевого генератора, периодически (с частотой 18,2 Гц) вызывающий программу обработки прерывания, которая при каждом вызове прибавляет к хранимому системному времени фиксированный промежуток времени "тик".

Дисплей (видеосистема) представляет собой совокупность монитора и графичес-

кого адаптера (видео карты) (рис. 7).

Рис. 7

Монитор характеризуется:

размером (измеряется в дюймах и обычно составляет 14”..21”);

цветностью (изготавливаются монохромные и цветные мониторы);

разрешающей способностью (измеряется в количестве цветных точек по гори­зонтали и вертикали и обычно составляет 320200..16001280);

зернистостью (расстоянием между центрами точек люминофора одного цвета, которое обычно составляет 0,39..0,25 мм).

Графический адаптер (конструктивно) - сложное устройство, управляемое соб­ствен­ным микропроцессором, сравнимым по мощности с процессором компью­тера. Ши­роко используются адаптеры следующих стандартов:

EGA (Enhanced Graphics Adapter) - усовершенствованный графический адаптер;

VGA (Video Graphics Array) - графический видео массив и его модификации: SVGA (супер-VGA) и UVGA (ультра-VGA) с улучшенными характеристиками.

Графический адаптер состоит из: контролера монитора, видеопамяти, конт­ролера графики.

Контролер монитора управляет строчной и кадровой разверткой изображе­ния и 30..85 раз в секунду заново рисует (“освежает”) изображение на мониторе. Изображение строится из цветных точек, которые объединяются в те­левизионные строки и изображаются кадрами. Количество точек в строке и количество строк различно для разных адаптеров. На самом мониторе, как правило, есть ручки уп­равления разверткой по горизонтали и вертикали, размером кадра, яркостью и кон­трастностью (на цифровых мониторах значения этих же параметров устанавливаются по меню).

Основное назначение видеопамяти - хранение образа экрана монитора. Память, достаточная для хранения образа одного экрана, называется видеострани­цей. Объем видеопамяти, а, следовательно, и количество видеостраниц зависит от конкретного адаптера.

Контролер графики поддерживает работу адаптера в текстовых и графиче­ских режимах, которые являются интегральной характеристикой адап­тера:

 В текстовом режиме экран представляет собой совокупность текселов (“te­xel” - text element), расположенных на пересечениях строк и столбцов (рис. 8).

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]