МЕЛИТОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра Информатики и
кибернетики
АРХИТЕКТУРА ЭВМ
Учебное пособие (Конспект лекций)
для студентов специальности
«Информатика»
2010 г.
Составил: доцент Чураков А.Я.
Содержание Стр.
Лекция 1 История развития вычислительной техники. Архитектура ЦЭВМ …. 6
1.1 История развития вычислительной техники …………………………………… 6
1.2 Закон Мура …………………………………………………………………….. 9
1.3 Основные компоненты PC ……………………………………………………... 10
1
.4
Современные многоуровневые
машины……………………………………….. 11
Лекция 2 Основы компьютерной техники………………………………………... 15
2.1 Общая характеристика компьютерной техники ……………………………….. 15
2.2 Принцип программного управления……………………………………………. 18
2.3 Основные характеристики компьютеров………………………………………... 20
Лекция 3 Системные (материнские) платы. ……………………………………… 22
Введение……………………………………………………………………………… 22
3.1 Основные характеристики материнской платы ………………………………... 25
3.2 Форм-факторы материнских плат ……………………………………………… 25
3.2.1 Форм-фактор АТ……………………………………………………………….. 25
3.2.2 Форм-фактор LPX…………………………………………………………… 26
3.2.3 Форм-фактор АТX…………………………………………………………… 27
3.2.4 Форм-фактор Micro ATX………………………………………………………. 27
3.2.5 Форм-фактор NLX…………………………………………………………… 30
Лекция 4 Шины…………………………………………………………………… 32
4.1 Классификация шин……………………………………………………………… 32
4.2 Основные характеристики шины ………………………………………………… 34
4.3 Интерфейс………………………………………………………………………… 35
4.4 Системные шины………………………………………………………………… 35
4.5 Шины ввода/вывода ……………………………………………………………… 36
4.5.1 Шина ISA……………………………………………………………………… 36
4.5.2 Шина PCI……………………………………………………………………… 37
4.5.3 Шина АGР……………………………………………………………………… 39
4.5.4 Шина USB……………………………………………………………………… 39
4.5.5 Шина SCSI…………………………………………………………………… 42
4.5.6 Шина IEEE 1394…………………………………………………………………43
Лекция 5 Последовательный и параллельный порты. ……………………………44
5.1 Параллельные интерфейсы ……………………………………………………… 45
5.1.1. Интерфейс Centronics и LPT-порт ………………………………………… ……45
5.1.2 Интерфейс Centronics …………………………………………………… …… 45
5.1.3 Традиционный LPT-порт ……………………………………………… ………45
5.1.4 Расширения параллельного порта ……………………………………………… 46
5.1.5 Стандарт IEEE 1284 …………………………………………………………… 46
5.1.6 Физический и электрический интерфейсы ……………………………………….46
5.2 Последовательные интерфейсы ………………………………………………… 47
5.2.1. Способы последовательной передачи ……………………………………………..47
5.2.2 Интерфейс RS-232C ………………………………………………………………49
5.2.3 Электрический интерфейс ……………………………………………………… 49
5.2.4 СОМ-порт ……………………………………………………………………… 49
5.2.5 Использование СОМ-портов …………… …………………………………… 49
Лекция 6 Жесткий диск……………… ………………………………………………51
6.1 Что такое жесткий диск………… ……………………………………………… 51
6.2 Принципы работы накопителей на жестких дисках…………………………… 52
6.3 Дорожки и секторы………………………………………………………………….54
6.4 Форматирование дисков …………………………………………………………….54
6.4.1 Форматирование низкого уровня…………………………………………………55
6.4.2 Организация разделов на диске……………………………………………………57
6.5 Форматирование высокого уровня. ………………………………………… ……..58
6.6 Основные узлы накопителей на жестких дисках………………………… ……..58
6.7 Диски………………………………………………………………… …………59
6.8 Плата управления…………………………………………………… …………….60
6.9 Характеристики накопителей на жестких дисках…………… …………………60
6.10 Деление жесткого диска на логические части…………………………………… 61
Лекция 7 Приводы СD – ROM…………………………………………… ……… 62
7.1 Компакт-диски и устройства для работы с ними………………………… ……….. 62
7.2 Физическое устройство CDROM Drive……………………………… …………… 64
7.3 Устройства для записи на CD……………………………………… …………… 64,
7.4 DVD – диски. …………………………………………………… ………………. 65
7.5 Подключение CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD-ROM……………………………… 67
7.6 Форматы записи использующиеся в CD-ROM…………………………………… 67
7.7 Дисковод гибких дисков………………………… ………………………………. 68
7.8 Устройство дискеты……………………………………………………… ……… 69
Лекция 8 Мониторы и видеоадаптеры………………………………………………. 71
8.1 Мониторы…………………………………………… ………………………….. 71
8.1.1 Основные принципы устройства CRT – монитора ………………… …… 71
8.1.2 Различные типы CRT трубок………………………………………………….. 72
8.2 Жидкокристаллические мониторы (LCD). . ……………………………….. 74
8.3 Прочие интересные технологии мониторов …………………………………….. 75
8.3.1 Плазменные мониторы.. ………………………………………………………. 75
8.3.2 FED мониторы…………………………………………………………………. 75
8.4 Основные параметры монитора…………………………………………………. 77
8.5 Типы видеоадаптеров……………………………………………………… …. 78
8.6 Компоненты видеосистемы………………………………………………… …81
8.7 Видеодрайвер………………………………………………………………… 81
Лекция 9 Устройства ввода………………………………… ………………… 82
9.1 Клавиатуры………………………………………………………………………82
9.1..2 Расширенные 101- и 102-клавишная клавиатуры……………………………..82
9.1.3 104-клавишная Windows-клавиатура………………………… ……………..84
9.1.4 Клавиатуры для порта USB………………………………………………… . 84
9.1.5 Портативные клавиатуры………………………………… ………………… 85
9.1.6 Интерфейс клавиатуры………………………………… ………………… .85
9.1.7 Эргономичные клавиатуры………………………… ……………………….86
9.1.8 Мультимедийные и Web-клавиатуры………………………………… ……..86
9.2..2 Мышь……………………………………………………………… ……… 86
9.2.1 Интерфейсы мыши ………………………………………… …………….. 89
9.3 Устройство Track Point II/III………………………………… …………………89
9.4 Беспроводные устройства ввода данных………………… ……………………90
9.5 Сканеры……………………………………………… ……………………… 91
9.5.1 Ручные сканеры…………………………………………………… …………91
9.5.2 Листопротяжные сканеры……………………………………… ……………92
9.5.3 Настольные (планшетные) сканеры………………………… ………………92
9.5.4 Сканеры для слайдов…………………………………… …………………...92
9.5.5 Барабанные сканеры. ……………………………… ………………………...92
Лекция 10 Устройства вывода………………………… …………………………..94
10. Принтеры………………………………………… ………………………… …94
10.1.1 Матричные игольчатые принтеры…………………………………… …… 94
10.1.2 Термопринтеры…………………………………………………… ……… 97
10.1.3…Струйные принтеры…………………………………………………… … 97
10.1.4 Лазерные принтеры………………………………………………………… 99
10.1.5 Твердочернильные принтеры……………………………………………… 101
10.2 Плоттеры……………………………………………………………………… 101
10.3 Форматы данных………………………………………………………………102
Список литературы…………………………………………………………… 104
Лекция 1 История развития вычислительной техники. Архитектура цэвм
1.1 История развития вычислительной техники
1.2 Закон Мура
1.3 Основные компоненты PC
1.4 Современные многоуровневые машины
1.1 История развития вычислительной техники
Механические калькуляторы
Одним из самых первых вычислительных устройств является абак, используемый уже более 2000 лет. Абак представляет собой деревянную раму, содержащую ряд параллельных прутьев с камешками или костяшками. Существует ряд правил, согласно которым костяшки перемещаются в правую или левую сторону, таким образом позволяя выполнять различные арифметические операции. (Бухгалтерские счеты, например, являются дальним родственником абака.)
Первая европейская машина была создана Непером (создателем логарифмов) в начале XVII века. Она могла выполнять операцию умножения двух чисел.
В 1642 году Блез Паскаль создал прообраз цифровой вычислительной машины, позволяющей проводить операции сложения чисел. Машина предназначалась отцу Паскаля, который работал сборщиком налогов. Позднее, в 1671 году, Готфрид Вильгельм фон Лейбниц разработал вычислительную машину, построив ее только в 1694 году. Она позволяла выполнять операции сложения и умножения чисел.
Первый коммерческий механический калькулятор был создан Чарльзом Ксавьером Томасом в 1820 году. Это была “совершенная” машина — она выполняла операции сложения, вычитания, умножения и деления.
Первый механический компьютер
Отцом этого компьютера можно по праву назвать Чарльза Баббаджа, профессора математики Кембриджского университета. Эта машина, созданная в 1812 году, могла решать полиномиальные уравнения различными методами. Создав в 1822 году небольшую рабочую модель своего компьютера и продемонстрировав ее Британскому правительству, Баббадж получил средства на дальнейшее развитие своей системы. Новая машина была создана в 1823 году. Она была паровой, полностью автоматической и даже распечатывала результаты в виде таблицы.
Работа над этим проектом продолжалась еще 10 лет, и в 1833 году был создан первый “многоцелевой” компьютер, названный аналитической машиной. Она могла оперировать числами с 50 десятичными знаками и сохраняла до 1 000 чисел. Впервые в этой машине было реализовано условное выполнение операций — прообраз современного оператора IF.
Аналитическая машина Баббаджа с полным основанием считается предшественником современного компьютера, так как содержит все ключевые элементы, из которых состоит компьютер.
Устройство ввода данных. В машине Баббаджа был применен принцип ввода данных с помощью перфокарт, когда-то используемый в ткацких станках на текстильных фабриках.
Блок управления. Для управления, или программирования вычислительного устройства использовался барабан, содержащий множество пластин и штифтов.
Процессор (или вычислительное устройство). Вычислительная машина высотой около 10 футов, содержащая в себе сотни осей и несколько тысяч шестеренок.
Запоминающее устройство. Блок, содержащий еще больше осей и шестеренок, позволяющий хранить в памяти до тысячи 50-разрядных чисел.
Устройство вывода. Пластины, связанные с соответствующей печатной машиной, использовались для печати полученных результатов.
К сожалению, из-за недостаточной точности механической обработки шестеренок и механизмов первый потенциальный компьютер так и не был полностью построен. Технологический уровень производства того времени был слишком низок.
Интересно, что идея использования перфорационных карт, впервые предложенная Баббаджем, воплотилась только в 1890 году.
Электронные компьютеры
Физик Джон В. Атанасов вместе с Клиффордом Берри (Clifford Berry) с 1937 по 1942 год работали в университете штата Айова над созданием первой цифровой электронно-вычислительной машины.
Использование вычислительной техники во время второй мировой войны послужило серьезным толчком для развития компьютеров. В 1943 году англичанин Алан Тьюринг завершил работу над созданием военного компьютера “Колосс”, используемого для расшифровки перехваченных немецких сообщений. В университете штата Пенсильвания создали первую комплексную электронно-вычислительную машину для военных целей. Эта система получила название ENIAC (Electrical Numerical Integrator and Calculator). Она работала с десятизначными числами и выполняла операции умножения со скоростью около 300 произведений в секунду, находя значения каждого произведения в таблице умножения, хранящейся в оперативной памяти. Производительность этой системы была примерно в 1 000 раз выше, чем у электромеханических релейных вычислительных машин предыдущего поколения.
В компьютере ENIAC использовалось около 18 тыс. вакуумных ламп, он занимал полезную площадь, равную примерно 167 квадратным метрам и потреблял приблизительно 180 тыс. ватт. Для ввода и вывода данных использовались перфорационные карты, регистры выполняли роль сумматоров, а также предоставляли доступ вида чтение/запись к хранилищу данных.
Немногим ранее, в 1945 году, математик Джон фон Нейман (John von Neumann) доказал, что компьютер представляет собой целостную физическую структуру и может ффективно выполнять любые вычисления с помощью соответствующего программного управления без изменения аппаратной части. Другими словами, программы можно изменять, не меняя аппаратного обеспечения. Этот принцип стал основным и общепринятым правилом для будущих поколений быстродействующих цифровых компьютеров.
После появления UNIVAC темпы эволюции компьютеров заметно ускорились. В первом поколении компьютеров использовались вакуумные лампы, на смену которым пришли меньшие по размерам и более эффективные транзисторы.
Интегральные схемы
В 1959 году сотрудники компании Texas Instruments изобрели интегральную схему — полупроводниковое устройство, в котором без проводов соединяется несколько расположенных на одном кристалле транзисторов. В первой интегральной схеме их было всего шесть. Для сравнения заметим, что микропроцессор Pentium Pro состоит из 5,5 млн транзисторов, а интегрированная кэш-память, встроенная в одну из микросхем, содержит еще 32 млн транзисторов. Сегодня во многих интегральных схемах используется несколько миллионов транзисторов.
Первый микропроцессор
В 1998 году компания Intel отпраздновала свое тридцатилетие. Она была основана 18 июля 1968 года Робертом Нойсом (Robert Noyce), Гордоном Муром (Gordon Moore) и Эн-дрю Гроувом (Andrew Grove).
В 1970 году Intel выпустила микросхему памяти емкостью 1 Кбит, намного превысив емкость существующих в то время микросхем. (1 Кбит равен 1024 битам, один байт состоит из 8 битов, т.е. эта микросхема могла хранить всего 128 байт информации..
Intel. В 1971 году разработала первый 4-разрядный микрокомпьютерный набор 4004 (термин микропроцессор появился значительно позднее). Микросхема размером с ноготь большого пальца содержала 2 300 транзисторов, стоила 200 долларов и по своим параметрам была сопоставима с первой электронно-вычислительной машиной ENIAC
В 1972 году был выпущен преемник 4004 — 8-разрядный микропроцессор 8008. А в 1981 году семейство процессоров Intel пополнилось новой 16-разрядной моделью 8086 и 8-разрядной 8088. Эти процессоры получили в течение всего лишь одного года около 2 500 наград за технологические новшества и достижения в сфере вычислительных систем. В число призеров вошла и одна из разработок компании IBM, ставшая впоследствии первым персональным компьютером.
В 1982 году Intel представила микропроцессор 286, содержащий 134 тыс. транзисторов. По эффективности он превосходил другие 16-разрядные процессоры того времени примерно в три раза. Благодаря концепции внутрикристальной памяти 286 стал первым микропроцессором, совместимым со своими предшественниками. Этот качественно новый микропроцессор был затем использован в эпохальном компьютере PC-AT компании IBM.
В 1985 году появился 32-разрядный процессор Intel 386. Он содержал 275 тыс. транзисторов и выполнял более 5 млн операций в секунду (Million Instruction Per Second — MIPS). Компьютер DESKPRO 386 компании Compaq был первым персональным компьютером, созданным на базе нового микропроцессора.
Следующим из семейства Intel стал процессор 486, появившийся в 1989 году. Он содержал уже 1,2 млн транзисторов и первый встроенный сопроцессор. Он работал в 50 раз быстрее процессора 4004, и его производительность была эквивалентна производительности мощных мэйнфреймов.
В 1993 году Intel представила первый процессор Pentium, производительность которого выросла в пять раз по сравнению с семейством Intel 486. Pentium содержал 3,1 млн транзисторов и выполнял до 90 млн операций в секунду, что примерно в 1 500 раз превышало быстродействие процессора 4004.
Процессор семейства P6, называемый Pentium Pro, появился на свет в 1995 году. Он содержал 5,5 млн транзисторов и являлся первым процессором, кэш-память второго уровня которого была размещена прямо на кристалле, что позволяло значительно повысить быстродействие. Даже в наше время процессор Pentium Pro, выполняющий до 300 млн команд в секунду, все еще используется для многопроцессорных серверов и высокоэффективных рабочих станций.
Компания Intel пересмотрела архитектуру P6 (Pentium Pro) и в мае 1997 года представила процессор Pentium II. Он содержит 7,5 млн транзисторов, упакованных, в отличие от традиционного процессора, в картридж, что позволило разместить кэш-память L2 непосредственно в модуле процессора. В апреле 1998 года семейство Pentium II пополнилось дешевым процессором Celeron, используемым в домашних ПК, и профессиональным процессором Pentium II Xeon, предназначенным для серверов и рабочих станций. В 1999 году Intel выпустила процессор Pentium III, который представлял собой, по сути, Pentium II, содержащий инструкции SSE (Streaming SIMD Extensions).
В то время как процессор Pentium стремительно занимал доминирующее положение на рынке, компания AMD приобрела компанию NexGen, работавшую над процессором Nx686. Результатом слияния компаний явился процессор AMD К6. Этот процессор как в аппаратном, так и программном отношении был совместим с процессором Pentium, т.е. устанавливался в гнездо Socket 7 и выполнял те же программы. Компания AMD продолжила разработку более быстрых версий процессора K6 и завоевала значительную часть рынка ПК среднего класса.
В 1999 году AMD представила процессор Athlon, который составил достойную конкуренцию процессорам Intel на рынке профессиональных компьютеров.
Следующий, 2000-й год ознаменовался появлением на рынке новых разработок этих компаний. Так, например, AMD впервые представила процессоры Athlon Thunderbird и Duron. Процессор Duron, разработанный для более дешевых систем, по существу, идентичен процессору Athlon и отличается от него только меньшим объемом кэш-памяти второго уровня; Thunderbird, в свою очередь, использует интегрированную кэш-память, что позволяет значительно повысить его быстродействие.
Компания Intel в 2000 году представила Pentium IV, новейший процессор из семейства IA-32. Компания также анонсировала процессор Itanium (кодовое имя Merced), который стал первым представителем 64-разрядных процессоров Intel (IA-64). Благодаря этому процессору в недалеком будущем появятся совершенно новые операционные системы и приложения, которые, тем не менее, будут совместимы с 32-разрядным программным обеспечением.
В 2000 году произошло еще одно знаменательное событие, имеющее историческое значение: компании Intel и AMD пересекли барьер в 1 ГГц, который до того времени многим казался непреодолимым.
12 августа 1981 года с рождением IBM PC в мире микрокомпьютерной индустрии появился новый стандарт. С тех пор были проданы сотни миллионов PC-совместимых компьютеров, а на его основе выросло огромное семейство компьютеров и периферийных устройств. Программного обеспечения для этого семейства создано больше, чем для любой другой системы.