Міністерство освіти і науки України

КОЛЕДЖ ЕЛЕКТРОННИХ ПРИЛАДІВ

Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу

Курс лекцій

на__І - ІІ ____семестр __2009/ 2010 навчальний рік

з дисципліни_______________Архітектура комп’ютера____________________

^{(повна назва предмету)}

для спеціальності___5.080405_______

^(код)

_” Програмування для електронно-обчислювальної техніки і

автоматизованих систем ”

^{(назва спеціальності)}

Викладач __П.Д. Козак ___________________________________

^{(підпис)}

Розглянуто на засіданні циклової комісії комп’ютерних систем

Протокол №________від «____»_________200___р

Голова циклової комісії _____________ М.А. Бідасюк______

^{(підпис) (ініціали, прізвище)}

Івано-Франківськ

2009

№ з/п	Назва теми та вміст лекції	Сторінка
1	2	3
1	Вступ. Поняття та види архітектур комп'ютерних систем 1.1 Роль і місце курсу у загальній структурі навчальних дисциплін 1.2 Поняття архітектури у комп’ютерній системі 1.3 Класифікація архітектур	3
2	Основні типи сучасних комп’ютерів 2.1 Класифікація комп’ютерів. 2.2 Складові пристрої комп’ютерних систем	5
3	Основні та допоміжні пристрої комп’ютерів 3.1 Основні пристрої комп’ютерів 3.2 Допоміжні пристрої комп’ютерів	7
4	Системний блок 4.1 Основні поняття і визначення апаратної частини системного блока (корпус, процесор, системна плата, плати розширення, роз’єми, слоти, сокети, шини, шлейфи, контролери, порти) 4.2 Загальна схема системного блока 4.3 Будова системного блока	10
5	Пам’ять комп’ютера 5.1 Класифікація видів пам’яті 5.2 Види оперативної пам’яті та їх характеристики 5.3 Накопичувачі та носії інформації	12
6	Загальні принципи побудови мікропроцесорних систем (МПС) та організації шин 6.1 Основні поняття і визначення МПС (МПС, процесор, чіпсет, контролер, мікропроцесорний комплект (МПК)) 6.2 Принципи побудови МПС (модульності, мікропрограмного керування, магістральності) 6.3 Організація шин (ША, ШД, ШК)	14
7	Адресний простір 7.1 Фізичні основи представлення інформації у комп'ютерах 7.2 Розподіл адресного простору 7.3 Принципи формування адреси та види адресації	16
8	Функціонування процесора 8.1 Виконання програмного коду (лінійне, із переходами, обробка переривань) 8.2 Режими роботи процесора (реальний, захищений, віртуальний) 8.3 Методи покращення архітектури процесорів	19
9	Архітектура процесора 9.1 Структурна схема процесора 9.2 Регістри процесора 9.3 Команди процесора (структура команди і таблиця основних команд)	20
10	Процесори 10.1 Класифікація процесорів 10.2 Характеристики процесорів 10.3 Багатопроцесорні архітектури	23

1	2	3
11	Системна (материнська) плата 11.1 Призначення та будова системної плати 11.2 Архітектури системних плат: шинно-мостова та хабова 11.3 Тенденції розвитку архітектур системних плат	25
12	Інтерфейси системних плат для плат розширення 12.1 Історичний розвиток інтерфейсів для плат розширення 12.2 Особливості будови та функціонування шин ІSA, РСІ, AGP, PCI-Express 12.3 Тенденції використання шин для плат розширення у майбутньому	26
13	Послідовні та паралельні інтерфейси зовнішніх пристроїв 13.1 Послідовні інтерфейси (RS-232, USB, Fire Wire) 13.2 Паралельні інтерфейси (Centronics, SCSI)	29
14	Робота ПК з аналоговими сигналами 14.1 Поняття про АЦП 14.2 Послідовні АЦП 14.3 Паралельні АЦП	31
15	Клавіатура 15.1 Будова клавіатури 15.2 Передача сигналів та система кодування 15.3 Тестування та несправності клавіатури	32
16	Відеосистема 16.1 Типи дисплеїв 16.2 Принципи формування зображення 16.3 Режими роботи дисплеїв	33
17	Дискові носії інформації 17.1 Фізичні принципи запису інформації 17.2 Фізичне та логічне форматування 17.3 Інтерфейси для дискових носіїв інформації (АТА, Serial ATA)	36
18	Пристрої виведення інформації (принтери) 18.1 Поняття про принтери і плотери 18.2 Класифікація принтерів 18.3 Фізичні принципи формування зображень принтерами	37
19	Живлення комп’ютерних систем 19.1 Принцип роботи блоків живлення 19.2 Вимоги до живлення КС, негативні фактори які впливають на живлення КС та способи їх усунення. 19.3 Блоки безперебійного живлення: on-line, off-line.	39

Лекіція 1

Тема: “Вступ поняття та види архітектур комп’ютерних систем ”

1. Роль і місце предмета “Архітектура комп’ютера” у загальній системі навчальних дисциплін.

2. Поняття “архітектури” у комп’ютерній системі.

3. Класифікація архітектур.

1. Роль і місце предмета “Архітектура комп’ютера” (АК) у загальній системі навчальних дисциплін.

Серед навчальних дисциплін які вивчаються на спеціальності КС у Коледжі електронних приладів ІФНТУНГу АК відіграє проміжну зв’язуючу роль. Тому цей предмет вивчають на третьому курсі на протязі двох семестрів. Дисциплінами-попередниками до АК (тобто ці дисципліни служать базою для вивченя АК) можна вважати як загальноосвітні дисципліни такі як фізика, інформатика, так і спеціалізовані – схемотехніка, електроніка, теорія електричних кіл, програмування та алгоритмічні мови. Дисциплінами-наступниками (тобто цим дисциплінам АК дає основу для подальшого їх вивчення) можна вважати системне програмування, технічні засоби РТС, комп’ютерні мережі.

Також АК поєднує дві невід’ємні складові частини будь-якої КС – апаратні та програмні засоби. Тому АК є своєрідним мостом між предметами які характеризують апаратні засоби (електроніка, комп’ютерна схемотехніка) та предметами які характеризують програмну частину (інформатика, програмування та алгоритмічні мови, операційні системи).

2. Поняття архітектури у комп’ютерній системі.

Термін “архітектура” в першу чергу асоціюється із поняттям конструкції, будівлі чи інших об’єктів. Але крім загального вигляду, будови, розмірів, розміщень окремих елементів у системі архітектура ще й характеризує зв’язки які з’єднують складові частини, процеси які можуть відбуватись у системі.

Тут, мабуть, виникає потреба пояснити поняття системи. Системою може бути будь-який з об’єктів який потрібно охарактеризувати, зробити опис у залежності від того які властивості чи інформацію нам треба визначити про об’єкт. Система складається із складових частин які називають елементами та зв’язками через які здійснюється взаємодія між елементами. Наприклад, найпростіша комп’ютерна система для користувача ПК може складатись з таких елементів: системного блока, клавіатури, монітора які зв’язані між собою електричними зв’язками за допомогою провідників.

Існує багато різних комп’ютерних систем кожна з яких має своє функціональне призначення, тобто створені для виконання конкретного завдання. І кожен з типів КС має свої відмінності від іншого. Саме ці відмінності найлегше побачити порівнюючи архітектури, тобто модель пристроя чи системи. Отже, можемо визначити поняття архітектури у КС як модельну реалізацію апаратних і програмних засобів КС.

Краще розуміння застосування поняття архітектури у КС може дати класифікація архітектур.

3. Класифікація архітектур.

К ласифікацію архітектур можна зобразити за допомогою такої структури.

Архітектури у КС характеризують за такими трьома ознаками: за об’єктом розгляду, за принципом побудови, за набором команд. У свою чергу архітектури за об’єктом розгляду поділяють на архітектури процесорів, комп’ютерів, системних плат, комп’ютерних мереж.

Основними архітектурами для процесорів є RISC- та CISC-архітектури.

RISC – архітектура з обмеженим набором команд. Характеризується високою швидкодією за рахунок того, що для виконання однієї команди виділяється короткий проміжок часу. Процесори з RISC-архітектурою є дорогими та мало поширеними, використовуються у системах реального часу де не допускається часова затримка.

СISC – архітектура з повним набором команд. Характеризується нижчою швидкодією за рахунок того, що для виконання однієї команди виділяється довший проміжок часу, простотою та невисокою ціною. Процесори з RISC-архітектурою через свою низьку ціну набули широкого поширення і використовуються у більшості КС.

Основними архітектурами для комп’ютерів є фон-нейманівська та гарвардська архітектури.

Фон-нейманівська архітектура включає в себе такі складові елементи:

1. Блок управління (БУ);

2. Арифметико-логічний пристрій (АЛП);

3. Пам’ять (П);

4. Пристрої вводу-виводу (ПВВ).

Гарвардська архітектура відрізняється від фон-нейманівської тим, що в ній пам’ять розділена на дві частини: пам’ять програм (ПП) та пам’ять даних (ПД).

Основними архітектурами для системних (материнських) плат є шинно-мостова та хабова архітектури. Шинно-мостова архітектура використовує для з’єднання між пристроями і перетворення сигналів мікросхеми північного і південного моста. Хабова архітектура є більш продуктивнішою за рахунок високої пропускної здатності магістралі між процесором та шинами через хаб. Її викоритсовують у сучасних материнських платах.

Лекіція 2

Тема: “Основні типи сучасних комп’ютерів”

1. Класифікація комп’ютерів.

2. Складові пристрої комп'ютерних систем.

1. Класифікація комп’ютерів.

Класифікацію комп’ютерів можна зобразити за допомогою такої структури.

К омп’ютери можна класифікувати за такими трьома ознаками: за платформою, за призначенням, за розмірами.

Платформа визначає перелік взаємозамінних елементів (деталей) комп’ютерної системи. Крім того, різні типи апаратних засобів мають різні принципи функціонування, що зумовлює створення для кожної платформи програмного забезпечення яке буде працювати тільки на ній. Хоча деякі відомі фірми створюють програмні продукти які можуть працювати як ІВМ так і на Apple.

Найбільш поширеною є платформа ІВМ, так як ця фірма першою почала серійний випуск ПК, і тривалий час утримувала та утримує позиції лідера ринку ПК. У світі таких комп’ютерів є до 90%. Характеризується недостатньою надійністю у експлуатації, що зумовлює його низьку ціну на цей тип комп’ютерів.

Менш поширеною є платформа Apple (до 10%). Вона представлена популярними у США та Німеччині комп’ютерами "Macintosh". В Україні використовуються у поліграфічній галузі. Характеризуються тривалим терміном надійної безвідмовної роботи та вищою (приблизно у 2 - 3 рази) ціною у порівнянні з ІВМ.

Домашні ПК призначені для виконання широкого спектру завдань від набору тексту та математичних обрахунків до редагування графічних зображень та перегляду відео. Вимоги до апаратної частини є середніми, і визначаються потребами користувача.

Робочі станції призначені для виконання завдань професійної направленості (ведення бухгалтерії, монтування кліпів, графічна та текстова верстка і ін.). Тут вимоги до апаратного забезпечення зумовлюються тим видом робіт які виконуються. Наприклад, для обробки графіки потрібен більшого розміру монітор з високою роздільною здатністю щоб якісно відображати зображення, потужна відеокарта яка б не призводила до затримок відображення.

Сервери призначені для об’єднання робочих станцій у мережу, а також для керування ними. До серверів висуваються підвищені вимоги, щодо його ресурсів (потужності процесора, розмірів оперативної пам’яті та жорсткого диска, периферійних пристроїв) так як потік інформації який повинен сервер обробити та передати результат не повинен призводити до затримки у роботі мережі. Щодо програмного забезпечення, то сервер повинен підтримувати програми, що встановлені на всіх підпорядкованих йому різнотипних робочих станціях.

Промислові комп’ютери експлуатуються у важких зовнішніх умовах (підвищені вологість, температура, запиленість, вплив електро-магнітних полів та ін.). Тому вони мають підвищений захист від цих негативних факторів. Промислові комп’ютери безпосередньо керують технологічними процесами на виробництві, тому їх конструкція повинна бути пристосована до оперативної заміни деталей чи вузлів які виходять з ладу, щоб не призвести до порушення технологічного процесу чи до виникнення аварії.

Суперкомп’ютери і комплекси за розміром займають цілі приміщення чи будівлі. Вони складаються з потужної багатопроцесорної системи, загального монітора великих розмірів та терміналів (монітор і клавіатура для одного працівнка), здійснюють обробку інформації у реальному масштабі часу.

Настільні комп’ютери займають місце робочого стола користувача ПК. Переважно складаються із системного блока монітора, клавіатури, а також периферійних пристроїв. У деяких ПК системний блок може бути об’єднаний із монітором у один корпус.

Настільні міні-комп’ютери характеризуються зменшеними розмірами як системного блока так і монітора який є рідкокристалічним.

Ноутбуки мають розмір папки і складаються із двох складових частин: рідкокристалічного монітора та клаватури яка об’єднана із системним блоком. Мають роз’єми до підключення зовнішніх пристроїв. Важко піддаються модернізації.

2. Складові пристрої комп'ютерних систем.

Комп’ютерна система може складатись з різних складових частин (вузлів, пристроїв) у залежності від призначення, робіт які вона має виконувати. Але основним вузлом який здійснює обробку, перетворення інформації, а також відіграє роль центрового з’єднювального вузла для всіх решти пристроїв які під'єднуються до нього є системний блок. Всі решта вузли будемо називати зовнішніми пристроями. Є зовнішні пристрої без яких комп’ютерна система не може працювати (взагалі не зможе завантажитись) називатимемо основними. Це клавіатура (як основний пристрій введення інфорації) та монітор (як основний пристрій виведення інфорації).

Використання комп’ютерних систем у різних сферах життя людини зумовило різноманітність неосновних (допоміжних) зовнішніх пристроїв, які можна розділити на такі класи: пристрої управління, введення, виведення інформації, зв'язку і передачі, збереження і перенесення інформації, управління живленням, ідентифікації, віртуальної реальності, автоматизованих систем.

Структурну схему класів основних та допоміжних зовнішніх пристроїв які пов’язані системним блоком наведено нижче.

Лекція 3

Тема: "Основні та допоміжні пристрої комп’ютера".

1.Основні пристрої комп’ютера.

2. Допоміжні пристрої комп’ютера.

1.Основні пристрої комп’ютера.

У комп’ютерних системах основними складовими елементами є: системний блок, клавіатура, монітор.

Системний блок призначений для конструктивного з’єднання, чіткої фіксації та захисту від механічних пошкоджень всіх внутрішніх складових, а також для зручного під’єднання зовнішніх пристроїв. Види системних блоків та їхня класифікація показана нижче.

Tower (вертикальний) АТ-корпуси (звичайні)

Desktop (горизонтальний) АТХ-корпуси

У вертикальних корпусах системна плата розміщена вертикально, а всі складові розміщуються перпендикулярно до неї.

У корпусах типу Desktop системна плата розміщена горизонтально, а плати розширення – вертикально. Для зменшення висоти Desktop-корпусів використовують перехідні роз’ємні плати.

АТ-корпуси при натисканні на кнопку POWER вимикають живлення одразу. АТХ-корпуси мають можливість "правильного" виключення комп’ютера (поступове виключення у послідовності визначеній операційною системою).

Клавітура призначена для оперативного введення даних та керування системою. Класифікація клавіатур показана на структурі нижче.

Клавіатури

За к-стю клавіш

За видом з’єднання із системним блоком

За контактом клавіш

1 01,102 мембранні

8 0,82 AT, PS/2 безконтактні

с пеціалізовані USB герметичні

безпровідні

Монітори призначені для оперативного виводу інформації про процеси які виконуються програмами у комп'ютері. Поділ моніторів на класи показано нижче.