13) Понятие о принципах работы эвм. Понятие о программном управлении работой компьютера.

В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

Магистраль включает в себя три многоразрядные

• шины: шину данных,

•  шину адреса

• и шину управления.

Шины представляют собой многопроводные линии. Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении. Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т.е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. Разрядность процессоров постоянно увеличивалась по мере развития компьютерной техники.

Магистрально-модульное устройство компьютера

Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина). Разрядность шины адреса определяет адресное пространство процессора, т.е. количество ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:

N =2^I , где I — разрядность шины адреса.

Разрядность шины адреса постоянно увеличивалась и в современных персональных компьютерах составляет 32 бит. Таким образом, максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти равно:

N == 2³² = 4 294 967 296.

Шина управления. По шине управления передаются сиг­налы, определяющие характер обмена информацией по ма­гистрали. Сигналы управления определяют какую операцию считывание или запись информации из памяти нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т.д. 

В основу построения подавляющего большинства компьюте­ров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом.

1. Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, выполняющихся процессором автоматически в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного перехода, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп». Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти, поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение цик­лов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен. Компьютеры, построенные на перечисленных принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, т. е. они могут работать без счетчика команд, указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам необязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не фон-неймановскими.

14) Базовая конфигурация ПК - минимальный комплект аппаратных средств, достаточный для начала работы с персональным компьютером.

Персональный компьютер — универсальная техническая система. Его

конфигурацию (состав оборудования) можно гибко изменять по мере

необходимости. Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации,

которую считают типовой. В таком комплекте компьютер обычно поставляется.

Понятие базовой конфигурации может меняться. В настоящее время в базовой

конфигурации рассматривают четыре устройства:

- системный блок;

- монитор;

- клавиатуру;

- мышь.

Системный блок

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого

установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри

системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему

снаружи, называют внешними. Внешние дополнительные устройства,

предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также

называют периферийными.

По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса. Корпуса

персональных компьютеров выпускают в горизонтальном (desktop) и

вертикальном (tower) исполнении. Корпуса, имеющие вертикальное исполнение,

различают по габаритам: полноразмерный (big tower), среднеразмерный (midi

tower) и малоразмерный (mini tower). Среди корпусов, имеющих горизонтальное

исполнение, выделяют плоские и особо плоские (slim).

Кроме формы, для корпуса важен параметр, называемый форм-фактором. От него

зависят требования к размещаемым устройствам. В настоящее время в основном

используются корпуса двух форм-факторов: АТ и АТХ. Форм-фактор корпуса

должен быть обязательно согласован с форм-фактором главной (системной)

платы компьютера, так называемой материнской платы.

Корпуса персональных компьютеров поставляются вместе с блоком питания и,

таким образом, мощность блока питания также является одним из параметров

корпуса. Для массовых моделей достаточной является мощность блока питания

200-250Вт.

Материнская плата

Материнская плата — основная плата персонального компьютера. На ней

размещаются:

- процессор — основная микросхема, выполняющая большинство математических и

логических операций;

- микропроцессорный комплект (чипсет) — набор микросхем, управляющих

работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные

функциональные возможности материнской платы;

- шины — наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между

внутренними устройствами компьютера;

- оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) — набор

микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда

компьютер включен;

- ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) — микросхема, предназначенная

для длительного хранения данных, в том числе и когда компьютер выключен;

- разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты).

Процессор

Процессор — основная микросхема компьютера, в которой и производятся все

вычисления. Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки

оперативной памяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но

и изменяться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Важно также

отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как

данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах.

Среди регистров процессора есть и такие, которые в зависимости от своего

содержания способны модифицировать исполнение команд. Таким образом,

управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять

обработкой данных. На этом и основано исполнение программ.

С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной

памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых

шинами. Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.

Адаптер – это устройство, которое расширяет возможности вашего компьютера и реализует возможность обмена данными по определенной технологии. Адаптеры называются по их назначению. Так существует USB адаптер для работы с USB разъемами, сетевые адаптеры для подключения и работы в сети, WI-FI адаптер или WiMAX адаптер для работы в беспроводном режиме, блютуз адаптер для работы с мобильными телефонами и многие другие. Использование адаптеров позволит вам всегда быть в сети и обмениваться вашими данными с друзьями. Сегодня на рынке существует множество таких устройств и вы можете выбрать любое из них. Много адаптеров уже встроены в большинство компьютеров, и вы ежедневно с ними незримо сталкиваетесь.

Одной из важнейших характеристик компьютера, которая на ряду с типом основного микропроцессора определяет возможности и диапазон применимости компьютера – это тип системной магистрали передачи данных внутри компьютера, в просторечии – шины.

Шина входит в состав материнской платы компьютера и осуществляет обмен данными между процессором или оперативной памятью и контроллерами внешних устройств компьютера: клавиатуры, монитора, дисков и т.д. Все контроллеры внешних устройств, кроме размещенных непосредственно на материнской плате, подключаются к компьютеру путем вставки этих контроллеров в свободные разъемы (слоты) шины.

Типы системных шин.

Большинство компьютеров невысокой производительности оснащено шиной ISA, которая была разработана фирмой при создании компьютера IBM PC AT. Эта шина является весьма дешевой, но малоинтеллектуальной и малопроизводительной.

Возможности этой шины вполне достаточна для работы с низкоскоростными устройствами: клавиатурой алфавитно-цифровым дисплеем, дисководами для гибких дисков, принтерами и модемами.

Однако современные жесткие диски, видеоконтроллеры и адаптеры локальных сетей могут осуществлять ввод – вывод со значительно большей скоростью, чем та, которую обеспечивает шина ISA.

В настоящее время большинство высокопроизводимых компьютеров оснащаются более современными системными шинами.

Основные разновидности этих шин таковы:

1. шина MCA ,

разработанная фирмой IBM в80-х годах, стала первым стандартом высокопроизводительной системной шины. Эта шина не совместима с шинами ISA, то есть все разработанные для шин ISA не годятся для шин MCA.

Из-за этого, а также из-за того, что воплощенные в шине технические решения были запатентованы фирмой IBM, этот стандарт шины не прижился;

2. шина EISA,

разработанная в 1989 году, также обеспечивает обмен данными между процессором или оперативной памятью и контроллерами внешних устройств по 32-битовой магистрали с высокой скоростью. В разъемы этой шины могут вставляться как контроллеры для шины EISA, так и контроллеры для шины ISA (хотя последние, естественно, не обеспечивает высоких скоростей обмена информацией). Однако контроллеры для этой шины должны содержать достаточно сложные электронные схемы, вследствие чего стоимость контроллеров для шины EISA на 100 – 200 долларов выше, чем для шины ISA. Кроме того, шина EISA во многих случаях не обеспечивает нужное быстродействие, особенно в задачах изображений, анимации и т. д.;

3. шина VESA (обычно называемая локальной шиной), разработанная ассоциацией VESA. Эта шина обеспечивает более дешевое и более эффективное подключение высокоскоростных внешних устройств, поддерживая непосредственный доступ центрального процессора к соответствующим контроллерам (видеоконтроллерам, контроллерам жестких дисков, адаптерам локальной сети). Для использования остальных устройств на такие компьютеры устанавливается другая шина (ISA или, для высокопроизводительных компьютеров EISA). Благодаря разработанным ассоциациями VESA правилам “шинного арбитража” эти шины могут сосуществовать в одном компьютере, не мешая друг другу. Компьютеры с шинами VESA и EISA часто называют “VESA /EISA”. Наиболее часто шина VESA используется в компьютерах на основе микропроцессора Intel – 80486;

4. шина PCI ,

разработанная фирмой Intel с участием ряда других фирм, является конкурентом шины VESA и во многих случаях обеспечивает еще более быстрый обмен с внешними устройствами, чем шина VESA. Наиболее часто шина PCI используется для микропроцессоров типа Pentium, так как она обеспечивает наиболее эффективное использование их возможностей. Как и шина VESA, шина PCI обычно используется совместно с шиной ISA или EISA.

Слоты расширения: PCI Express и AGP Как вы все понимаете, видеокарта вставляется в специальный разъем расширения на материнской плате компьютера, через этот слот видеочип обменивается информацией с центральным процессором системы. Современные графические процессоры используют только один тип интерфейса: PCI Express. Чуть раньше был распространён AGP. Эти интерфейсы отличаются друг от друга в основном пропускной способностью, предоставляемыми возможностями для питания видеокарты, а также другими менее важными характеристиками. Теоретически, чем выше пропускная способность интерфейса, тем лучше. Но практически, разница в пропускной способности даже в несколько раз не слишком сильно влияет на производительность, и пропускная способность интерфейса крайне редко является узким местом, ограничивающим производительность.

AGP (Accelerated Graphics Port или Advanced Graphics Port) — это высокоскоростной интерфейс созданный специально для соединения видеокарт и материнских плат. Интерфейс имеет несколько версий, последняя из них — AGP 8x с пропускной способностью 2.1 Гб/с, что в 8 раз больше начального стандарта AGP с параметрами 32-бит и 66 МГц. Новых материнских плат с AGP уже не выпускают, они окончательно уступили рынок решениям с интерфейсом PCI Express, но AGP до сих пор имеет широкое распространение и дает достаточную пропускную способность даже для новых видеочипов. Спецификации AGP появились в 1997 году, тогда Intel выпустил первую версию описания, включающую две скорости: 1x и 2x. Во второй версии (2.0) появился AGP 4x, а в 3.0 — 8x. Рассмотрим все варианты подробнее: AGP 1x — это 32-битный канал, работающий на частоте 66 МГц, с пропускной способностью 266 Мбайт/с, что в два раза выше полосы PCI (133 Мбайт/с, 33 МГц и 32-бит). AGP 2x — 32-битный канал, работающий с удвоенной пропускной способностью 533 Мбайт/с на той же частоте 66 МГц за счет передачи данных по двум фронтам, аналогично DDR памяти (только для направления «к видеокарте»). AGP 4x — такой же 32-битный канал, работающий на 66 МГц, но в результате дальнейших ухищрений была достигнута учетверенная «эффективная» частота 266 МГц, с максимальной пропускной способностью более 1 ГБ/с. AGP 8x — дополнительные изменения в этой модификации позволили получить пропускную способность уже до 2.1 ГБ/с. Видеокарты с интерфейсом AGP и соответствующие слоты на системных платах совместимы в определенных пределах. Видеокарты, рассчитанные на 1.5 В, не работают в 3.3 В слотах, и наоборот. Но существуют универсальные разъемы, которые поддерживают оба типа плат. Некоторые новые видеокарты из последних AGP серий имеют специальные ключи, не позволяющие установить их в старые системные платы без поддержки 1.5 В.

Нужно отметить, что в переходный период смены слотов AGP на PCI Express выходили системные платы с гибридными решениями, предоставляющими так называемые слоты AGP Express. Эти слоты зачастую размещались совместно с PCI Express x16 слотом, но они не являются полноценными AGP слотами и работают на скорости обычных PCI слотов, что дает очень низкую скорость, позволяющую разве что переждать время перехода на gолноценное PCI Express решение. PCI Express

PCI Express (PCIe или PCI-E, не путать с PCI-X), ранее известная как Arapaho или 3GIO, отличается от AGP тем, что это последовательный, а не параллельный интерфейс, что позволило уменьшить число контактов и увеличить пропускную способность. PCI Express — это лишь один из примеров перехода от параллельных шин к последовательным, вот другие примеры этого движения: HyperTransport, Serial ATA, USB и FireWire. Важное преимущество PCI Express в том, что он позволяет складывать несколько одиночных линий в один канал для увеличения пропускной способности. Многоканальность последовательного дизайна увеличивает гибкость, медленным устройствам можно выделять меньшее количество линий с малым числом контактов, а быстрым — большее. PCI Express отличается не только пропускной способностью, но и новыми возможностями по энергопотреблению. Эта необходимость возникла потому, что по слоту AGP 8x (версия 3.0) можно передать не более 40 с небольшим ватт суммарно, чего уже не хватало видеокартам последних поколений, рассчитанных для AGP, на которых устанавливали по одному или двух стандартным четырехконтактным разъемам питания. По разъему PCI Express можно передавать до 75 Вт, а дополнительные 75 Вт получают по стандартному шестиконтактному разъему питания. В последнее время появились видеокарты с двумя такими разъемами, что в сумме дает до 225 Вт. PCI Express 2.0 Вторая версия PCIe вдвое увеличила стандартную пропускную способность, с 2.5 Гб/с до 5 Гб/с, так что разъем x16 позволяет передавать данные на скорости до 8 ГБ/с в каждом направлении. При этом PCIe 2.0 совместим с PCIe 1.1, старые карты расширения будут нормально работать в новых системных платах. Основное нововведение в PCI Express 2.0 — это удвоенная до 5 Гб/с скорость. Видеокарты и материнские платы с поддержкой PCI Express 2.0 были анонсированы и появились в широкой продаже уже в 2007 году, и теперь на рынке других и не встретить. Абсолютное большинство современных видеокарт рассчитано на интерфейс PCI Express 2.0. Хотя некоторые производители видеокарт по своей инициативе делают карты низшего уровня для интерфейса AGP даже до сих пор, но все они используют специальный мост для трансляции вызовов PCI Express в AGP, а новых видеочипов с поддержкой AGP давно не существует.

15) Внутренняя память компьютера предназначена для оперативной обработки данных. Она является более быстрой, чем внешняя память, что соответствует принципу иерархии памяти, выдвинутому в проекте Принстонской машины. Следуя этому принципу, можно выделить уровни иерархии и во внутренней памяти.

Выделяют следующие виды внутренней памяти:

1. Оперативная. В нее помещаются программы для выполнения и данные для работы программы, которые используются микропроцессором. Она обладает большим быстродействием и является энергозависимой. Обозначается RAM - Random Access Memory -память с произвольным доступом;

2. Кэш-память (от англ. caсhe – тайник). Она служит буфером между RAM и микропроцессором и позволяет увеличить скорость выполнения операций, т.к. является сверхбыстродействующей. В нее помещаются данные, которые процессор получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Эта память хранит копии наиболее часто используемых участков RAM. При обращении микропроцессора к памяти сначала ищутся данные в кэш-памяти, а затем, если остается необходимость, в оперативной памяти;

3. Постоянная память - BIOS (Basic Input-Output System). В нее данные занесены при изготовлении компьютера. Обозначается ROM - Read Only Memory. Хранит:

• программы для проверки оборудования при загрузке операционной системы;

• программы начала загрузки операционной системы;

• программы по выполнению базовых функций по обслуживанию устройств компьютера;

• программу настройки конфигурации компьютера - Setup. Позволяет установить характеристики: типы видеоконтроллера, жестких дисков и дисководов для дискет, режимы работы с RAM,запрос пароля при загрузке и т.д;

4. Полупостоянная память - CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Хранит параметры конфигурации компьютера. Обладает низким энергопотреблением, потому не изменяется при выключении компьютера, т.к. питается от аккумулятора;

5. Видеопамять. Используется для хранения видеоизображения, выводимого на экран. Входит в состав видеоконтроллера.

Внутренняя память дискретна. Элементарной (минимальной) единицей хранения информации является бит. Однако компьютер при работе с памятью для размещения или выборки данных из нее оперирует не битами, а байтами и более крупными единицами - словами и двойными словами. В зависимости от класса компьютера слово  - это два или четыре байта памяти.

Для обращения к элементам памяти они снабжаются адресами, начиная с нуля. Максимальный адрес основной памяти определяется функциональными возможностями того или иного компьютера.

Внешняя память представлена в основном магнитными и оптическими носителями. Магнитные носители делятся на магнитные ленты (стриммеры), которые используются для хранения архивов и нашли неширокое применение, и магнитные диски.

Рассмотрим организацию внешней памяти на примере магнитных дисков.