Билет №2. Общая схема компьютера. Основные устройства компью­тера и их функции.

Компьютер – это машина, работающая от электрической сети, состоящая из взаимосвязанных блоков и предназначена для ввода, хранения, обработки и вывода информации.

Аппаратной основой ПК является системная (материнская) плата, на ней размещаются наиболее важные элементы ПК, располагаются магистрали, связывающие процессор с остальными электронными компонентами компьютера.

Стандартная конфигурация – системный блок, монитор, клавиатура и мышь.

С помощью клавиатуры мы вводим алфавитно-цифровые данные и управляем работой ПК. Она относится к устройствам ввода. Для работы в режиме национального алфавита используется специальная программа ­– драйвер клавиатуры.

Монитор предназначен для вывода на экран текстовой и графической информации. Монитор работает под управлением специального аппаратного устройства – видеоадаптера, который предусматривает 2 возможных режима – текстовый и графический. Для работы с мультимедийными приложениями в реальном режиме желательно иметь соответствующий видеоадаптер.

Мышь – представляет собой устройство управления курсором, позволяющее упростить работу с большинством программных продуктов.

Принтер предназначен для вывода информации на бумагу от вывода обычной текстовой информации до построения сложных графических изображений. По способу получения оттиска принтеры подразделяются на матричные , струйные , лазерные . Струйные обеспечивают более высокое качество печати (возможность печатать в цвете) и скорость. Лазерные дают близкие к типографскому по качеству печати, скорость высокая и позволяет непрерывную печать больших объемов.

Сканер – устройство для ввода информации (текста, рисунка, фотографии).

Модем обеспечивает взаимодействие ПК и передачу данных через сеть.

Плоттер – устройство для вывода графиков, диаграмм.

Источник бесперебойного питания – обеспечивает работу компьютера при колебаниях напряжения в сети (вплоть до полного отключения).

Вывод звуковой информации осуществляется с помощью акустических колонок или наушников , подключённых к выходу звуковой платы.

Для ввода звуковой информации звуковой информации предназначен микрофон , подключённый к входу звуковой платы.

Системный блок:

микропроцессор (МП ) – «мозг» машины предназначен для вычислений, обработки информации и управления работой ПК. Процессор может обрабатывать различные виды информации: числовую, текстовую, графическую, видео и звуковую. Он является электронным устройством, поэтому различные виды информации должны в нем обрабатываться в форме последовательности электрических импульсов. Такие импульсы можно записать в виде последовательности 0 и 1, которые называются машинным языком. Процессор можно рассматривать как устройство способное осуществлять арифметические и логические операции над числами, представленными в виде 0 и 1.

Информация, вводимая в ПК хранится в памяти ПК. Память – это совокупность специальных электронных ячеек, которые нумеруются, при этом номер ячейки называется её адресом. Память обеспечивается двумя устройствами: постоянным (ПЗУ) и оперативным (ОЗУ). ПЗУ имеет совсем маленький объем, но записанная в неё программа хранится вечно. Оперативная память имеет объем до нескольких Гбайт и при выключении ПК информация теряется.

Жёсткий диск (винчестер) предназначен для постоянного хранения информации.

Для обмена программами и данными между ПК используются дискеты, а устройство, которое обеспечивает чтение и запись с дискет называется дисководом.

CD, DVD позволяет чтение и запись на компакт-диск, флэш-память позволяет хранить и записывать большой объём информации.

Для обращения к дискам используются обозначения А:, винчестер С:, D: и др.

Архитектура современных персональных компьютеров (ПК) основана на магистрально-модульном принципе .

Под архитектурой компьютера понимается совокупность его устройств, способ взаимосвязи устройств друг с другом (структура). Архитектура ПК определяет ресурсы, которые могут быть выделены процессу обработки данных.

Модулем ПК будем называть любое относительно самостоятельное устройство компьютера (процессор, оперативная память, контроллер, дисплей, принтер, сканер и т. д.)

Модульный принцип позволяет пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию.

Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информации. Устройства компьютера соединяются между собой информационными магистралями. Среди них особую роль играет системная магистраль.

Системная магистраль или системная шина - это набор электронных линий, связывающих воедино центральные устройства (процессор, оперативная память) с периферийными устройствами (клавиатура, принтер, винчестер и т. д.) через устройства сопряжения (адаптеры, контроллеры).

Системная магистраль осуществляет обмен информацией по трем многоразрядным шинам, соединяющим модули:

Шина данных,

Шина адресов,

Шина управления.

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора , т. е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт.

К основным режимам использования шины передачи данных можно отнести следующие:

Запись/чтение данных из оперативной памяти и из внешних запоминающих устройств;

Чтение данных с устройств ввода;

Пересылка данных на устройства вывода.

То есть шина данных является двунаправленной .

Выбор абонента по обмену данными производит процессор, который формирует код адреса данного устройства, а для ОЗУ - код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине , причем сигналы передаются в одном направлении, от процессора к устройствам, т. е. шина адресов однонаправленная .

По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией, и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией.

Подключение устройств компьютера к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров , а на программном обеспечивается драйверами.

Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответствующее устройство смогло принять этот сигнал и отреагировать на него. За реакцию устройства процессор не отвечает, отвечает лишь соответствующий контроллер. Поэтому внешние (периферийные) устройства ПК заменяемы, и набор таких модулей произволен.

Драйвер – это программа, обеспечивающая взаимодействие операционной системы с соответствующим устройством вычислительной системы (драйвер клавиатуры, драйвер принтера и т. п.).

Драйвер обрабатывает прерывания обслуживаемого устройства, поддерживает очередь запросов к нему и преобразует запросы в команды управления устройством.

Билет №1 Функциональная схема компьютера. Основные устройства компьютера, их назначение - страница №1/6

К

омпьютер состоит из следующих основ­ных устройств:

Процессор способен выполнять небольшой набор универсальных инструкций, называемых машинными командами.

Работа компьютера состоит в вы­полнении последовательности таких команд (программы)
2. Память предназначена для хранения как дан­ных, так и программ их обработки

Под внутренней памятью компью­тера принято понимать быстродействующую электрон­ную память, расположенную на его системной плате.

Другая существенная часть внутренней памяти - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), в котором, в частности, хранится информация, необходи­мая для первоначальной загрузки компьютера в момент включения питания. Как очевидно из названия, инфор­мация в П3У не зависит от состояния компьютера.

шина адреса, на которой устанавливается адрес требуемой ячейки памяти или устройства, с кото­рым будет происходить обмен информацией;

шина данных, по которой будет пе­редана необходимая информация;

шина управления, регулирующая этот процесс (например, один из сигналов на этой шине позво­ляет компьютеру различать между собой адреса памяти и устройств ввода/вывода).

Билет №2

Основные характеристики компьютера (разрядность, объем памяти, быстродействие, адресное пространство и др.)
1. Основные характеристики процессора:
Тактовая частота.

Любая операция процессора (машин­ная команда) состоит из отдельных элементарных действий - тактов. Для организации последовательного вы­полнения требуемых тактов друг за другом в компью­тере имеется специальный генератор импульсов, каждый из которых инициирует очередной такт машинной команды. Чем чаще следуют импульсы от генератора, тем быс­трее будет выполнена операция, состоящая из фиксиро­ванного числа тактов. Тактовая частота определяется количеством импульсов в секун­ду и измеряется в мегагерцах - т.е. миллионах импуль­сов за 1 секунду. На данный момент тактовая частота самых современных процессоров уже превышает 2000 МГц, т.е. 2 ГГц (2 гигагерца).

Если в одном из процессоров команда выпол­няется за 2 такта, а в другом - за 3, то при одинаковой частоте первый будет работать в полтора раза быстрее! Кроме того, не нужно забывать, что производи­тельность современной компьютерной системы определя­ется не только быстродействием отдельно взятого процес­сора, но и скоростями работы остальных узлов компью­тера и даже способами организации всей системы в целом: очевидно, что чрезмерно быстрый процессор будет вынуж­ден постоянно простаивать, ожидая, например, медленно работающую память; или другой пример - очень часто простое увеличение объема ОЗУ дает гораздо больший эффект, чем замена процессора на более быстрый.
Разрядность - число одно­временно обрабатываемых процессором битов. Для современных моделей она равна 32. Тем не менее все не так просто. Дело в том, что, помимо описанной "внутренней" разрядности про­цессора, существуют еще разрядность шины данных, которой он управляет, и разрядность шины адреса.

Эти характеристики далеко не всегда совпадают

Разрядность шины адреса R определяет максимальный объем памя­ти, который способен поддерживать процессор. Эту ха­рактеристику называют величиной адресного пространства, и она может быть вычислена по про­стой формуле 2 R . Действительно, R двоичных разрядов позволяют получить именно такое количество неповто­ряющихся чисел, т.е. в данном случае адресов памяти.

Объем

Минимальная порция информации, ко­торую современный компьютер способен записать в па­мять, составляет 8 бит, или 1 байт. Отсюда становится очевидным, что общий объем памяти должен измерять­ся в байтах или в производных от него единицах. Размер памяти персональных компьютеров стремительно возра­стает. Первые модели имели 16-разрядное адресное про­странство, следовательно, объем памяти 2 16 = 64 Кб. Сейчас вы вряд ли сможете приобрести новый компьютер с ОЗУ менее 32-64 Мб.

Быстродействие.

Этот параметр определяется временем выполнения опера­ций записи или считывания данных; он зависит от прин­ципа действия и технологии изготовления запоминаю­щих элементов.

Кэш-память . Название "кэш" происходит от английского сло­ва cache , которое обозначает тайник или замаскирован­ный склад (в частности, этим словом называют прови­ант, оставленный экспедицией для обратного пути, или запас продуктов, например, зерна или меда, который жи­вотные создают на зиму). "Секретность" кэша заключа­ется в том, что он невидим для пользователя и данные, хранящиеся там, недоступны для прикладного программ­ного обеспечения. Процессор использует кэш, помещая туда извлеченные им из ОЗУ данные и команды про­граммы и запоминая при этом в специальном каталоге адреса, откуда информация была извлечена. Если эти дан­ные потребуются повторно, то уже не надо будет терять времени на обращение к ОЗУ - их можно получить из кэш-памяти значительно быстрее. Поскольку объем кэша существенно меньше объема оперативной памяти, его кон­троллер (управляющая схема) тщательно следит за тем, какие данные следует сохранять в кэше, а какие заменять: удаляется та информация, которая используется реже или совсем не используется. Кэш­-память является очень эффективным средством повыше­ния производительности компьютера.
Билет №3

Формализация моделей. Привести пример формализации (например, преобразования описательной модели в математическую модель).

Будем понимать под моделью другой объект (реаль­ный, знаковый или воображаемый), отличный от ис­ходного, который обладает существенными для целей моделирования свойствами и в рамках этих целей пол­ностью заменяет исходный объект.
Моделирование - процесс построения формальной модели реального явления и ее использование в целях исследования моделируемого явления.

Когда модель сформулирована, выбирается метод и инструментальное средство ее исследования. В зависимо­сти от формализованной постановки задачи в качестве такого средства может выступать либо пакет прикладных программ (офисных - типа MS Excel, MS Access и др., специализированных математических - типа MathLab, Mathematica и др.), либо язык программирования (Паскаль, Си, Фортран, Бейсик и др.). В зависимости от выбран­ного средства можно использовать или готовый метод решения, реализованный в данном продукте, либо со­ставлять программу для выбранного метода.

Если в качестве средства решения задачи выступает тот или иной язык программирования (впрочем, это актуаль­но и для математических пакетов), следующий этап - разработка алгоритма и составление программы для ЭВМ. Здесь каждый действует по-своему, это творческий и трудно-формализуемый процесс. В настоящее время наиболее распространенными являются приемы структурного и объект­но-ориентированного программирования. Выбор языка программирования обычно определяется имеющимся опы­том программиста, наличием некоторых стандартных под­программ и доступных библиотек.

После составления программы решаем с ее помощью простейшую тестовую задачу (желательно с заранее изве­стным ответом) с целью устранения грубых ошибок. Про­фессиональное тестирование - весьма непростой процесс; в нашем случае приходится пользоваться крайне упрощен­ными процедурами. Затем следует собственно численный эксперимент и выясняется, соответствует ли модель реаль­ному объекту (процессу). Модель адекватна реальному процессу, если основные характеристики процесса, полу­ченные на ЭВМ, совпадают с экспериментальными с заданной степенью точности.

Если результаты соответствуют экспериментальным данным или нашим интуитивным представлениям, про­водят расчеты по программе, данные накапливаются и соответствующим образом обрабатываются. Чаще удоб­ной для восприятия формой представления результатов являются не таблицы значений, а графики, диаграммы. Иногда численные значения пытаются заменить анали­тически заданной функцией, вид которой определяет экспериментатор. Обработанные данные в конечном итоге попадают в отчет о проделанном эксперименте.

Рассмотрим пример решения содержательной задачи.

Эту задачу необходимо формализовать, записав ее в приемлемой форме: составить программу, позволяющую получить табличную зависимость от времени значений скорости тела, падающего под действием силы тяжести; учесть при решении задачи сопротивление воздуха. На­чальную скорость считать равной нулю.

Так как постановка задачи должна быть конкретизи­рованной, примем соглашение, каким образом падает человек. Этот летчик является опытным и скорее всего совершал раньше прыжки с парашютом, поэтому он падает не "солдатиком", а лицом вниз, "лежа, раски­нув руки в стороны.

Расчетные формулы в данном случае получаются на основе второго закона Ньютона и в общем виде выглядят так:

.

Пусть т = 80 (масса майора), к г в нашем случае приблизительно равно (из справочников) 0,55.

Вопрос, который будет обсуждаться, таков: каков ха­рактер изменения скорости и перемещения со време­нем, если все параметры заданы?

Из со­ображений здравого смысла ясно, что при наличии со­противления, растущего со скоростью, в какой-то мо­мент сила сопротивления сравняется с силой тяжести, после чего скорость больше возрастать не будет (если летчик до того не приземлится).

П

риведем решение в табличном процес­соре MS Excel. Ниже представлен фрагмент таблицы в режиме отображения формул:
Табличный процессор позволяет результаты расче­тов представить в виде графиков, что зачастую гораздо более информативно, нежели таблицы, заполненные числами.

А теперь ответим на вопрос, поставленный в зада­че. Известен такой факт: один из американских кас­кадеров совершил прыжок в воду с высоты 75 м (Брук­линский мост), и скорость приводнения была 33 м/с. Сравнение этой величины с получившейся в наших расчетах конечной, скоростью 37.7 м/с позволяет считать описанный п кинофильме эпизод вполне реа­листичным.

Таким образом, на практике компьютерное модели­рование процессов и явлений позволяет получить реше­ние большого класса содержательных практических за­дач, решение которых традиционными способами невозможно или дорогостояще.

Для работы с внешней памятью необходимо наличие накопителя (устройства, обеспечивающего запись и (или) считывание информации) и устройства хранения - но­сителя.

В связи с ви­дом и техническим исполнением носителя информации различают электронные, дисковые и ленточные устройства.
ВИДЫ НАКОПИТЕЛЕЙ:

• 
  гибкие магнитные диски (Floppy Disk ) (диаметром 3,5" и емкостью 1,44 Мб; диаметром 5,25" и емкостью 1,2 Мб (в настоящее время устарели и практически не используются; выпуск накопителей, предназначенных для дисков диаметром 5,25", тоже прекращен)), диски для сменных носителей;
• 
  жесткие магнитные диски (Hard Disk );
• 
  кассеты для стримеров и других НМЛ (накопителей на магнитной ленте);
• 
  диски CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD.
• 
  Flash-накопители.

Основные характеристики накопителей и носителей:

• 
  информационная емкость;
• 
  скорость обмена информацией;
• 
  надежность хранения информации;
• 
  стоимость.

Принцип работы магнитных запоминающих устройств основан на способах хранения информации с использова­нием магнитных свойств материалов. Магнит­ные запоминающие устройства состоят из уст­ройств чтения/записи информации и магнитного носите­ля, на который осуществляется запись и с которого считывается информация.

Дисковые носители, как правило, намагничи­ваются вдоль концентрических полей - дорожек, располо­женных по всей плоскости дискоидального вращающегося носителя. Запись производится в цифровом коде. Намагни­чивание достигается за счет создания переменного магнит­ного поля при помощи головок чтения/записи. Головки пред­ставляют собой два или более магнитных управляемых кон­тура с сердечниками, на обмотки которых подается пере­менное напряжение. Изменение величины напряжения вы­зывает изменение направления линий магнитной индукции магнитного поля и при намагничивании носителя означает смену значения бита информации с 1 на 0 или с 0 на 1.

Дисковые устройства делят на гибкие (Floppy Disk ) и жесткие (Hard Disk ) накопители и носители. Основным свойством дисковых магнитных устройств является запись информации на носитель на концентрические замкнутые дорожки с использованием физического и логического цифрового кодирования информации. Плоский дисковый носитель вращается в процессе чтения/записи, чем и обес­печивается обслуживание всей концентрической дорож­ки, чтение и запись осуществляются при помощи маг­нитных головок чтения/записи, которые позиционируют по радиусу носителя с одной дорожки на другую.

Для операционной системы данные на дисках органи­зованы в дорожки и секторы. Дорожки (40 или 80) пред­ставляют собой узкие концентрические кольца на диске. Каждая дорожка разделена на части, называемые секто­рами. При чтении или записи устройство всегда считыва­ет или записывает целое число секторов независимо от объема запрашиваемой информации. Размер сектора на" дискете равен 512 байтам. Цилиндр - это общее коли­чество дорожек, с которых можно считать информацию, не перемещая головок. Поскольку гибкий диск имеет только две стороны, а дисковод для гибких дисков - только две головки, в гибком диске на один цилиндр при­ходится две дорожки. В жестком диске может быть мно­го дисковых пластин, каждая из которых имеет две (или больше) головки, поэтому одному цилиндру соответству­ет множество дорожек. Кластер (или ячейка размеще­ния данных) - наименьшая область диска, которую опе­рационная система использует при записи файла. Обыч­но кластер - один или несколько секторов.

Перед использованием дискета должна быть форма­тирована, т.е. должна быть создана ее логическая и фи­зическая структура.

Принцип функционирования жестких дисков анало­гичен этому принципу для ГМД.

• 
  Диаметр дисков. Наиболее распространены накопи­тели с диаметром дисков 2,2, 2,3, 3,14 и 5,25 дюйма.
• 
  Число поверхностей - определяет количество фи­зических дисков, нанизанных на ось.
• 
  Число цилиндров - определяет, сколько дорожек будет располагаться на одной поверхности.
• 
  Число секторов - общее число секторов на всех дорожках всех поверхностей накопителя.
• 
  Число секторов на дорожке - общее число секто­ров на одной дорожке. Для современных накопи­телей показатель условный, так как они имеют не­равное число секторов на внешних и внутренних дорожках, скрытое от системы и пользователя ин­терфейсом устройства.
• 
  Время перехода от одной дорожки к другой обычно составляет от 3,5 до 5 миллисекунд, а у самых быст­рых моделей может быть от 0,6 до 1 миллисекун­ды. Этот показатель является одним из определя­ющих быстродействие накопителя, так как имен­но переход с дорожки на дорожку является самым длительным процессом в серии процессов произ­вольного чтения/записи на дисковом устройстве.
• 
  Время установки или время поиска - время, зат­рачиваемое устройством на перемещение головок чтения/записи к нужному цилиндру из произволь­ного положения.
• 
  Скорость передачи данных, называемая также пропускной способностью, определяет скорость, с которой данные считываются или записываются на диск после того, как головки займут необходи­мое положение. Измеряется в мегабайтах в секунду (Мб/с) или мегабитах в секунду (Мбит/с) и явля-
• 
  " ется характеристикой контроллера и интерфейса. В настоящее время используются в основном жест­кие диски емкостью от 4 Г6 до 200 Гб.

К типу накопителей на сменных жестких дисках от­носится накопитель Jaz. Емкость используемого карт­риджа - 1 или 2 Гб. Недостаток - высокая стоимость картриджа. Основное применение - резервное копи­рование данных.

В накопителях на магнитных лентах (чаще всего в ка­честве таких устройств выступают стримеры) запись производится на мини-кассеты. Емкость таких кассет - от 40 Мб до 13 Гб, скорость передачи данных - от 2 до 9 Мб/мин., длина ленты - от 63,5 до 230 м, количество дорожек - от 20 до 144.

CD-ROM - это оптический носитель информации, предназначенный только для чтения, на котором может храниться до 650 Мб данных. Доступ к данным на CD-ROM осуществляется быстрее, чем к данным на диске­тах, но медленнее, чем на жестких дисках.

Компакт-диск диаметром 120 мм (около 4,75") из­готовлен из полимера и покрыт металлической пленкой. Информация считывается именно с этой металлической пленки, которая покрывается полимером, защищающим данные от повреждения. CD-ROM является односторон­ним носителем информации.

Считывание информации с диска происходит за счет ре­гистрации изменений интенсивности отраженного от алю­миниевого слоя излучения маломощного лазера. Приемник или фотодатчик определяет, отразился ли луч от гладкой поверхности, был рассеян или поглощен. Рассеивание или поглощение луча происходит в местах, где в процессе запи­си были нанесены углубления. Фотодатчик воспринимает рассеянный луч, и эта информация в виде электрических сигналов поступает на микропроцессор, который преобра­зует эти сигналы в двоичные данные или звук.

Скорость считывания информации с CD-ROM срав­нивают со скоростью считывания информации с музы­кального диска (150 Кб/с), которую принимают за еди­ницу. На сегодняшний день наиболее распространен­ными являются 52-скоростные накопители CD-ROM (скорость считывания - 7500 Кб/с).

Накопители CD-R (CD-Recordable) позволяют запи­сывать собственные компакт-диски.

Более популярными являются накопители CD-RW, которые позволяют записывать и перезаписывать диски CD-RW, записывать диски CD-R, читать диски CD-ROM, т.е. являются в определенном смысле универсальными.

Аббревиатура DVD расшифровывается как Digital Versatile Disk , т.е. универсальный цифровой диск. Имея те же га­бариты, что обычный компакт-диск, и весьма похожий принцип работы, он вмещает чрезвычайно много инфор­мации - от 4,7 до 17 Гб. Возможно, именно из-за большой емкости он и называется универсальным. Правда, на сегод­ня реально применяется DVD-диск лишь в двух областях: для хранения видеофильмов (DVD-Video или просто DVD) и сверхбольших баз данных (DVD-ROM, DVD-R).

Разброс емкостей возникает так: в отличие от CD-ROM диски DVD записываются с обеих сторон. Более того, с каждой стороны могут быть нанесены один или два слоя информации. Таким образом, односторонние однослой­ные диски имеют объем 4,7 Гб (их часто называют DVD-5, т.е. диски емкостью около 5 Гб), двусторонние однослойные - 9,4 Гб (DVD-10), односторонние двух­слойные - 8,5 Гб (DVD-9), а двусторонние двухслой­ные _ 17 Гб (DVD-18). В зависимости от объема требу­ющих хранения данных и выбирается тип DVD-диска. Если речь идет о фильмах, то на двусторонних дисках часто хранят две версии одной картины - одна широкоэкран­ная, вторая в классическом телевизионном формате.

Таким образом, здесь приведен обзор основных уст­ройств внешней памяти с указанием их характеристик.

В последнее время получает распространение новый вид накопителей – Flash-память. Такие накопители легко подключаются к к компьютеру во время работы, не имеют вращающихся дисков, обладают малыми размерами и имеют емкость в несколько сотен Мб.

1. Ввод информации в различном виде.

2. Автоматическая обработка информации по заранее составленной программе.

3. Хранение информации.

4. Вывод информации в различном виде.

1. Многообразие компьютеров.

Классификация компьютеров

1) По классу выполняемых задач

Универсальные Специализированные

2) По способу внутреннего представления данных

Аналоговые вычислительные машины Гибридные вычислительные машины Цифровые

вычислительные машины

3) По виду рабочей среды

Квантовый компьютер Оптический компьютер Электронный компьютер Биологический компьютер

4) По назначению

Персональный компьютер Сервер Рабочая станция Домашний компьютер Игровая приставка

Нетбук Интернет-планшет Планшетный нетбук

5) По размеру

Суперкомпьютеры Минисуперкомпьютер Персональный суперкомпьютер Мейнфрейм

Микрокомпьютер Мобильное интернет-устройство Карманный персональный компьютер Ноутбук Субноутбук (нетбук, смартбук) Планшетный компьютер

(интернет-планшет) Электронная книга Смартфон Калькулятор

Умная пыль Нанокомпьютер

2. Архитектура персонального компьютера.

Архитектура вычислительной машины (Архитектура ЭВМ, англ. Computer architecture) - концептуальная структура вычислительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.

Архитектура современных ПК основана на магистрально-модульном принципе .

Модульный принцип позволяет потребителю самому подобрать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости его модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информации. Магистраль или системная шина - это набор электронных линий, связывающих воедино по адресации памяти, передачи данных и служебных сигналов процессор, память и периферийные устройства.

Подключение отдельных модулей компьютера к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, а на программном обеспечивается драйверами. Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответствующее устройство смогло принять этот сигнал и отреагировать на него. За реакцию устройства процессор не отвечает - что функция контроллера. Поэтому внешние устройства ЭВМ заменяемы, и набор таких модулей произволен.

Архитектура компьютера строится согласно принципам фон Неймана:

1) Принцип однородности памяти

Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

2) Принцип адресуемости памяти

Основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к хранящимся в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

3) Принцип последовательного программного управления

Предполагает, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

4) Принцип жесткости архитектуры

Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.

В настоящее время активно используется принцип открытой архитектуры компьютера, который был заложен при разработке ПЭВМ IBM PC.

В IBM PC была заложена возможность усовершенствования отдельных частей компьютера и использования новых устройств. Фирма IBM обеспечила возможность сборки компьютера из независимо изготовленных частей. Этот принцип, при котором методы сопряжения различных устройств с IBM PC был стандартизован, известен и доступен всем желающим, был назван принципом открытой архитектуры.

Реализация этого принципа такова. На основной электронной плате компьютера (системной, или материнской) размещены только те блоки, которые осуществляют обработку информации. Схемы, управляющие всеми другими устройствами компьютера - монитором, дисками и т.д., реализованы на отдельных платах, которые вставляются в стандартные разъемы на системной плате.

При таком подходе фирмы IBM к разработке компьютеров другие фирмы получили возможность разрабатывать различные дополнительные устройства, а пользователи - самостоятельно модернизировать и расширять возможности компьютеров по своему усмотрению. Сейчас многие фирмы производят IBM-совместимые компьютеры и комплектующие к ним.

ДЗ (назначается) 1. Поколения компьютеров

o Годы, Элементная база, Быстродействие, Программное обеспечение, Области применения, Примеры.

2. Кратко описать видыЭВМ.

Билет № 1.

Информатизация общества. Основные этапы развития вычислительной техники.

Во 2 веке нашей эры в Китае изобрели бумагу. В середине 15 века изобретен первый печатный станок. В 19 веке изобретена фотография и кино. В 20 веке изобретен магнитофон и видеомагнитофон.

Первоначально люди пользовались средствами ближней связи: речь, слух, зрение. Первое средство дальней связи - почта, затем изобретены элект­рический телеграф, электромагнитный телеграфный аппарат, телефон, и в 1895 году русский изобретатель Попов открыл эпоху радиосвязи. Изобретены телевидение и спутниковая связь.

Важнейшим видом обработки информации являются вычис­ления, первым счетным средством для человека были его пальцы. В 5 веке до нашей эры в Греции и Египте получил распространение абак - счетная доска. Вычисления на абаке про­изводились перемещением ка­мешков по желобам на мрамор­ной доске. Подобные счетные инстру­менты -распространялись и раз­вивались по всему миру. В начале 17 века введено понятие логарифма, которые сводят трудоемкие арифметические операции к более простым. Появилась логарифмическая линейка. Затем Паскаль изобрел счетную машину, Лейбниц изобрел механический арифмометр, который стал предшественником калькулятора.

Билет № 2

Общая схема ПК. Основные устройства компьютера и их функции.

Основной деталью персонального компьютера является микропроцессор (МП), это миниатюрная электросхема. ПК представляет собой комплект устройств, где главным является системный блок, в нем мозг машины: микропроцессор и внутренняя память; там же блок электропитания, дисководы, контроллеры внешних устройств. Системный блок снабжен вентилятором для охлаждения. Весь системный блок помещен в металлический корпус, на поверхности которого имеются кнопки включения электропитания, щели для установки дискет в дисковые устройства, разъемы для подключения внешних устройств. Кроме системного блока в ПК обязательно входят клавиатура и монитор, дополнительно могут быть мышь, джойстик, принтер, сканер, модем. Все это внешние устройства ПК, каждое из которых взаимодействует с ПК через специальный блок – контроллер (существуют контроллер дисковода, контроллер монитора и т.д.), его задача преобразование информации, поступающей от процессора, в соответствующие сигналы, управляющие работой устройств. Например, на контроллер монитора поступает двоичный код 01000001, это код латинской буквы А, в ответ контроллер организует работу монитора так, что на экране высветится буква А. Здесь контроллер клавиатуры преобразовал сигнал от клавиши в двоичный код, который будет передан по линии связи с процессору.

А.П.Шестаков

Несмотря на огромное разнообразие вычислительной техники и ее необычайно быстрое совершенствование, фундаментальные принципы устройства машин во многом остаются неизменными. В частности, начиная с самых первых поколений, любая ЭВМ состоит из следующих основных устройств: процессор, память (внутренняя и внешняя) и устройства ввода и вывода информации. Рассмотрим более подробно назначение каждого из них.

Процессор является главным устройством компьютера, в котором собственно и происходит обработка всех видов информации. Другой важной функцией процессора является обеспечение согласованного действия всех узлов, входящих в состав компьютера. Соответственно наиболее важными частями процессора являются арифметико-логическое устройство АЛУ и устройство управления УУ.

Каждый процессор способен выполнять вполне определенный набор универсальных инструкций, называемых чаще всего машинными командами. Каков именно этот набор, определяется устройством конкретного процессора, но он не очень велик и в основном аналогичен для различных процессоров. Работа ЭВМ состоит в выполнении последовательности таких команд, подготовленных в виде программы. Процессор способен организовать считывание очередной команды, ее анализ и выполнение, а также при необходимости принять данные или отправить результаты их обработки на требуемое устройство. Выбрать, какую инструкцию программы исполнять следующей, также должен сам процессор, причем результат этого выбора часто может зависеть от обрабатываемой в данный момент информации.

Хотя внутри процессора всегда имеются специальные ячейки (регистры) для оперативного хранения обрабатываемых данных и некоторой служебной информации, в нем сознательно не предусмотрено место для хранения программы. Для этой важной цели в компьютере служит другое устройство – память. Мы рассмотрим лишь наиболее важные виды компьютерной памяти, поскольку ее ассортимент непрерывно расширяется и пополняется все новыми и новыми типами.

Память в целом предназначена для хранения как данных, так и программ их обработки: согласно фундаментальному принципу фон Неймана, для обоих типов информации используется единое устройство.

Начиная с самых первых ЭВМ, память сразу стали делить на внутреннюю и внешнюю. Исторически это действительно было связано с размещением внутри или вне процессорного шкафа. Однако с уменьшением размеров машин внутрь основного процессорного корпуса удавалось поместить все большее количество устройств, и первоначальный непосредственный смысл данного деления постепенно утратился. Тем не менее, терминология сохранилась.

Под внутренней памятью современного компьютера принято понимать быстродействующую электронную память, расположенную на его системной плате. Сейчас такая память изготавливается на базе самых современных полупроводниковых технологий (раньше использовались магнитные устройства на основе ферритовых сердечников – лишнее свидетельство тому, что конкретная физические принципы значения не имеют). Наиболее существенная часть внутренней памяти называется ОЗУ - оперативное запоминающее устройство. Его главное назначение состоит в том, чтобы хранить данные и программы для решаемых в текущий момент задач. Наверное, каждому пользователю известно, что при выключении питания содержимое ОЗУ полностью теряется. В состав внутренней памяти современного компьютера помимо ОЗУ также входят и некоторые другие разновидности памяти, которые при первом знакомстве можно пропустить. Здесь упомянем только о постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), в котором в частности хранится информация, необходимая для первоначальной загрузки компьютера в момент включения питания. Как очевидно из названия, информация в ПЗУ не зависит от состояния компьютера (для лучшего понимания можно указать на некоторую аналогию между информацией в ПЗУ и “врожденными” безусловными рефлексами у живых существ). Раньше содержимое ПЗУ раз и навсегда формировалось на заводе, теперь же современные технологии позволяют в случае необходимости обновлять его даже не извлекая из компьютерной платы.

Внешняя память реализуется в виде довольно разнообразных устройств хранения информации и обычно конструктивно оформляется в виде самостоятельных блоков. Сюда, прежде всего, следует отнести накопители на гибких и жестких магнитных дисках (последние несколько жаргонно пользователи часто именуют винчестерами), а также оптические дисководы (устройства для работы с CD ROM). В конструкции устройств внешней памяти имеются механически движущиеся части, поэтому скорость их работы существенно ниже, чем у полностью электронной внутренней памяти. Тем не менее, внешняя память позволяет сохранить огромные объемы информации с целью последующего использования. Подчеркнем, что информация во внешней памяти прежде всего предназначена для самого компьютера и поэтому хранится в удобной ему форме; человек без использования машины не в состоянии, например, даже отдаленно представить содержимое немаркированной дискеты или диска CD ROM.

Современные программные системы способны объединять внутреннюю и внешнюю память в единое целое, причем так, чтобы наиболее редко используемая информация попадала в более медленно работающую внешнюю память. Такой метод дает возможность очень существенно расширить объем обрабатываемой с помощью компьютера информации.

Если процессор дополнить памятью, то такая система уже может быть работоспособной. Ее существенным недостатком является невозможность узнать что-либо о происходящем внутри такой системы. Для получения информации о результатах, необходимо дополнить компьютер устройствами вывода, которые позволяют представить их в доступной человеческому восприятию форме. Наиболее распространенным устройством вывода является дисплей, способный быстро и оперативно отображать на своем экране как текстовую, так и графическую информацию. Для того чтобы получить копию результатов на бумаге, используют печатающее устройство, или принтер.

Наконец, поскольку пользователю часто требуется вводить в компьютерную систему новую информацию, необходимы еще и устройства ввода. Простейшим устройством ввода является клавиатура. Широкое распространение программ с графическим интерфейсом способствовало популярности другого устройства ввода – манипулятора мышь. Наконец, очень эффективным современным устройством для автоматического ввода информации в компьютер является сканнер, позволяющий не просто преобразовать картинку с листа бумаги в графический компьютерный файл, но и с помощью специального программного обеспечения распознать в прочитанном изображении текст и сохранить его в виде, пригодном для редактирования в обычном текстовом редакторе.

Теперь, когда мы знаем основные устройства компьютера и их функции, осталось выяснить, как они взаимодействуют между собой. Для этого обратимся к функциональной схеме современного компьютера, приведенной на рисунке.

Для связи основных устройств компьютера между собой используется специальная информационная магистраль, обычно называемая инженерами шиной. Шина состоит из трех частей:

шина адреса, на которой устанавливается адрес требуемой ячейки памяти или устройства, с которым будет происходить обмен информацией;

шина данных, по которой собственно и будет передана необходимая информация; и, наконец,

шина управления, регулирующей этот процесс (например, один из сигналов на этой шине позволяет компьютеру различать между собой адреса памяти и устройств ввода/вывода).

Рассмотрим в качестве примера, как процессор читает содержимое ячейки памяти. Убедившись, что шина в данный момент свободна, процессор помещает на шину адреса требуемый адрес и устанавливает необходимую служебную информацию (операция – чтение, устройство – ОЗУ и т.п.) на шину управления. Теперь ему остается только ожидать ответа от ОЗУ. Последнее, “увидев” на шине обращенный к нему запрос на чтение информации, извлекает содержимое необходимой ячейки и помещает его на шину данных. Разумеется, реальный процесс значительно подробнее, но нас сейчас не интересуют технические детали. Особо отметим, что обмен по шине при определенных условиях и при наличии определенного вспомогательного оборудования может происходить и без непосредственного участия процессора, например, между устройством ввода и внутренней памятью.

Подчеркнем также, что описанная нами функциональная схема на практике может быть значительно сложнее. Современный компьютер может содержать несколько согласованно работающих процессоров, прямые информационные каналы между отдельными устройствами, несколько взаимодействующих магистралей и т.д. Тем не менее, если понимать наиболее общую схему, то разобраться в конкретной компьютерной системе будет уже легче.

Магистральная структура позволяет легко подсоединять к компьютеру именно те внешние устройства, которые нужны для данного пользователя. Благодаря ей удается скомпоновать из стандартных блоков любую индивидуальную конфигурацию компьютера.

Список литературы

Информатика в понятиях и терминах: Кн. для учащихся ст. классов сред. шк./ Г.А. Бордовский, В.А. Извозчиков, Ю.В. Исаев, В.В. Морозов; Под ред. В.А. Извозчикова. - М.: Просвещение, 1991. - 208 с.

Основы информатики и вычислительной техники: Проб. учеб. пособие для сред. учеб. заведений. В 2-х ч. Ч.1/ А.П. Ершов, В.М. Монахов, С.А. Бешенков и др.; Под ред. А.П. Ершова, В.М. Монахова. - М.: Просвещение, 1985. - 96 с.

Основы информатики и вычислительной техники: Проб. учеб. пособие для сред. учеб. заведений. В 2-х ч. Ч.2/ А.П. Ершов, В.М. Монахов, А.А. Кузнецов и др.; Под ред. А.П. Ершова, В.М. Монахова. - М.: Просвещение, 1986. - 143 с.

Гук М. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия. СПб.: Издательство "Питер", 2000. - 816 c.