
Глава 3 3.1.Аппаратные средства Принципы работы аппаратных средств компьютера Основная идея электронной обработки информации Общие принципы работы электронных вычислительных машин сформулированы учеными Ч.Бэббиджем и Дж. фон Нейманом. Согласно этим принципам, любую ЭВМ образуют три главных компонента, показанных на рис. 1. Информация, с которой работает ЭВМ, всегда представлена в двоичном коде и делится на два принципиально разных типа (идея Ч.Бэббиджа): 1) набор команд по обработке (программа); 2) данные, обрабатываемые программой. Руководит обработкой процессор (от англ. process— обрабатывать), который, в свою очередь, состоит из двух блоков: устройства управления и арифметико-логического устройства. Команды и данные вводятся в оперативную память машины — электронное устройство с очень коротким временем доступа. Согласно принципу фон Неймана, адресное пространство памяти является линейным (последовательным) и машинные команды неотличимы от данных. Устройство управления процессора выбирает команды из ОЗУ и организует их выполнение, а арифметико-логическое устройство проводит арифметические и логические операции над данными. С процессором и ОЗУ связаны внешние устройства: клавиатура, дисплей, магнитные диски, принтеры и т.д. Именно эти устройства обеспечивают ввод, вывод и долговременное хранение информации. Нейман завершил разработку общих принципов ЭВМ, начатую в XIX в. Ч.Бэббиджем. Рис. 1. Схема машины фон Неймана Физика и высокие технологии Физические принципы работы основных аппаратных средств персонального компьютера (за небольшими исключениями) достаточно просты. В них, как правило, не используются какие-либо новейшие открытия физики. Например, физика записи и чтения информации на магнитный диск даже проще, чем физика домашнего магнитофона пятидесятых годов (приходится записывать лишь 1 и 0); технология RGB в видеосистеме в принципе не сложнее технологии цветного телевидения и т.д. Главное в аппаратных средствах ПК не физика, а высокие технологии, позволяющие создавать на основе давно известных физических законов устройства минимального размера, с минимальным потреблением энергии и с высочайшим качеством функционирования. Примеры таких устройств — интегральные микросхемы; накопители на магнитных дисках с таким качеством ферромагнитного покрытия, электронных и механических узлов, которое позволяет программам миллионы раз обращаться к диску для записи и чтения; триада видеоадаптер—видеопамять—монитор и др. Однако следует иметь в виду, что дальнейшее развитие вычислительной техники специалисты связывают с применением лазерной техники и так называемых нанотехнологий. Нанотехнология — это один из важнейших разделов современных высоких технологий, который позволяет перевести операции с техническими системами на квантовый уровень, где законы классической физики не выполняются. Применительно к ИТ суть этих технологий заключается в том, что появятся квантовые компьютеры, обладающие следующими преимуществами: возникнет новый тип ассоциативной компьютерной памяти, сходной с нейронными сетями живого организма; объем памяти возрастет безмерно; резко уменьшится трафик в Интернет; снизятся энергозатраты (нагрев процессора при увеличении скорости работы резко уменьшится); надежность вычислительных систем повысится; появятся новые сферы применения компьютеров и др. Основы организации ПЭВМ, общая характеристика Организация базовых технических средств ПЭВМ в целом определяется основными структурными компонентами (блоками): процессором, подсистемой памяти, системным интерфейсом или шиной и его расширением, подсистемой внешней памяти, видеоподсистемой, подсистемой контроллеров базовых периферийных устройств. Все устройства входящие в состав компьютера, обмениваются информацией в виде электрических сигналов по шинам. Шина представляет собой группу электрических проводов, к которым с помощью разъемов могут параллельно подключаться самые различные устройства. При этом устройства совершенно безболезненно можно менять местами, заменять другими, устанавливать новые устройства, работа шины от этого не нарушается. Однако, непосредственно к магистрали можно подключить лишь процессор и оперативную память, Остальные устройства подключаются с помощью специальных согласующих устройств – контроллеров ( контроллер дисководов, видеоконтроллер и.т.д ) Структура персонального компьютера Общая структура персонального компьютера с подсоединенными периферийными устройствами Для просмотра архитектуры ЭВМ щелкните по рисунку Принцип работы ЭВМ рассматривается на примере персонального компьютера. На схеме представлена структура ПК. Основу ПК составляет системный блок, в котором размещены: микропроцессор (МП), блок оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), долговременной памяти на жёстком магнитном диске (Винчестер), устройства для запуска компакт-дисков (CD) и дискет (НГМД). Там же находятся платы: сетевая, видеопамяти, обработки звука, модем (модулятор-демодулятор), интерфейсные платы, обслуживающие устройства ввода-вывода: клавиатуры, дисплея, "мыши", принтера и др. Все функциональные узлы ПК связаны между собой через системную магистраль, представляющую из себя более трёх десятков упорядоченных микропроводников, сформированных на печатной плате. Микропроцессор служит для обработки информации: он выбирает команды из внутренней памяти (ОЗУ или ПЗУ), расшифровывает и затем исполняет их, производя арифметические и логические операции. Получает данные из устройства ввода и посылает результаты на устройства вывода. Он вырабатывает также сигналы управления и синхронизации для согласованной работы его внутренних узлов, контролирует работу системной магистрали и всех периферийных устройств. Упрощённая схема микропроцессора представлена на рис. "Программный принцип работы ПК" (выделена штриховой линией с надписью ЦП). В его состав входят: арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции над двоичными числами; блок регистров общего назначения (РОН), используемых для временного хранения обрабатываемой информации (R0 - R5), указателя стека (R6) и счётчика команд (R7); устройство управления (УУ), определяющее порядок работы всех узлов микропроцессора. Одной из важнейших характеристик микропроцессора является его разрядность, определяемая числом разрядов АЛУ и РОН. Современные микропроцессоры имеют 16- , 32- и 64-разрядную длину двоичного числа, а также до 200 и более различных внутренних команд. Обработка информации осуществляется по программе, которая представляет собой последовательность команд, управляющих работой компьютера. Команда состоит из кода операции и адреса. Код операции сообщает микропроцессору, что нужно сделать, какую выполнить операцию: сложить, сравнить, переслать, очистить и т.д. Адрес указывает место, где находятся данные, подлежащие обработке. Команды бывают безадресные, одноадресные и двухадресные. Выполнение любой команды состоит из двух фаз: фазы выборки и фазы исполнения. Фаза выборки начинается по сигналу начала цикла команды. При этом содержимое счётчика команд (Сч. команд) указывает на её адрес в ОЗУ (например, 1000). Как только сигнал по шине адресов поступит в ОЗУ, содержимое счётчика команд изменится на 2 и укажет адрес следующей команды. Из ОЗУ по шине данных команда поступает в регистр команд (Рег. команд) микропроцессора. В данном случае это команда ADD(R0),R1. Фаза исполнения начинается с расшифровки полученной команды. В нашем примере код операции ADD предписывает АЛУ сложить содержимое, находящееся по адресу источника, хранимому в регистре R0, с содержимым, размещенным по адресу приёмника R1, и результат поместить в регистр приёмника R1. На этом кончается фаза исполнения данной команды и микропроцессор готов к выполнению следующей команды, указанной в счётчике команд (СК+2) и т.д. Следует обратить внимание на особенность записи адреса источника R0. Этот адрес в команде взят в круглые скобки. В этом случае в регистре R0 хранятся не сами данные, а номер адреса, в котором находятся искомые данные. Итак, компьютер функционирует лишь благодаря программному обеспечению, без которого он бесполезен. Программное обеспечение условно можно разделить на системное (например, Операционная Система Windows и др.), прикладное (например, Microsoft Office, Adobe Photoshop, Macromedia Flash и др.), инструментальное (например, Audio Editor Gold, QuickTime Player и др.). Проверте свои знания по архитектуре Фон Неймана щелкните по кнопке

Глава 3

3.1.Аппаратные средства

Принципы работы аппаратных
средств компьютера
Основная идея электронной обработки информации

Общие принципы работы электронных вычислительных машин сформулированы учеными Ч.Бэббиджем и Дж. фон Нейманом. Согласно этим принципам, любую ЭВМ образуют три главных компонента, показанных на рис. 1.
Информация, с которой работает ЭВМ, всегда представлена в двоичном коде и делится на два принципиально разных типа (идея Ч.Бэббиджа): 1) набор команд по обработке (программа); 2) данные, обрабатываемые программой. Руководит обработкой процессор (от англ. process— обрабатывать), который, в свою очередь, состоит из двух блоков: устройства управления и арифметико-логического устройства. Команды и данные вводятся в оперативную память машины — электронное устройство с очень коротким временем доступа. Согласно принципу фон Неймана, адресное пространство памяти является линейным (последовательным) и машинные команды неотличимы от данных. Устройство управления процессора выбирает команды из ОЗУ и организует их выполнение, а арифметико-логическое устройство проводит арифметические и логические операции над данными. С процессором и ОЗУ связаны внешние устройства: клавиатура, дисплей, магнитные диски, принтеры и т.д. Именно эти устройства обеспечивают ввод, вывод и долговременное хранение информации. Нейман завершил разработку общих принципов ЭВМ, начатую в XIX в. Ч.Бэббиджем.

Рис. 1. Схема машины фон Неймана

Физика и высокие технологии
Физические принципы работы основных аппаратных средств персонального компьютера (за небольшими исключениями) достаточно просты. В них, как правило, не используются какие-либо новейшие открытия физики. Например, физика записи и чтения информации на магнитный диск даже проще, чем физика домашнего магнитофона пятидесятых годов (приходится записывать лишь 1 и 0); технология RGB в видеосистеме в принципе не сложнее технологии цветного телевидения и т.д.
Главное в аппаратных средствах ПК не физика, а высокие технологии, позволяющие создавать на основе давно известных физических законов устройства минимального размера, с минимальным потреблением энергии и с высочайшим качеством функционирования. Примеры таких устройств — интегральные микросхемы; накопители на магнитных дисках с таким качеством ферромагнитного покрытия, электронных и механических узлов, которое позволяет программам миллионы раз обращаться к диску для записи и чтения; триада видеоадаптер—видеопамять—монитор и др.
Однако следует иметь в виду, что дальнейшее развитие вычислительной техники специалисты связывают с применением лазерной техники и так называемых нанотехнологий.
Нанотехнология — это один из важнейших разделов современных высоких технологий, который позволяет перевести операции с техническими системами на квантовый уровень, где законы классической физики не выполняются. Применительно к ИТ суть этих технологий заключается в том, что появятся квантовые компьютеры, обладающие следующими преимуществами:

возникнет новый тип ассоциативной компьютерной памяти, сходной с нейронными сетями живого организма;
объем памяти возрастет безмерно;
резко уменьшится трафик в Интернет;
снизятся энергозатраты (нагрев процессора при увеличении скорости работы резко уменьшится);
надежность вычислительных систем повысится;
появятся новые сферы применения компьютеров и др.

Основы организации ПЭВМ, общая характеристика

Организация базовых технических средств ПЭВМ в целом определяется основными структурными компонентами (блоками): процессором, подсистемой памяти, системным интерфейсом или шиной и его расширением, подсистемой внешней памяти, видеоподсистемой, подсистемой контроллеров базовых периферийных устройств.
Все   устройства    входящие в состав компьютера, обмениваются информацией в виде электрических сигналов по шинам. Шина представляет собой группу электрических проводов, к которым с помощью разъемов могут параллельно подключаться самые различные   устройства. При этом устройства совершенно безболезненно можно   менять местами, заменять   другими, устанавливать новые устройства, работа шины от этого не нарушается. Однако, непосредственно к магистрали можно подключить лишь процессор и оперативную память, Остальные устройства   подключаются с помощью специальных согласующих устройств – контроллеров
( контроллер дисководов, видеоконтроллер и.т.д )
Структура персонального компьютера

Общая структура персонального компьютера с подсоединенными периферийными устройствами
Для просмотра архитектуры ЭВМ щелкните по рисунку

Принцип работы ЭВМ рассматривается на примере персонального компьютера.
На схеме представлена структура ПК. Основу ПК составляет системный блок, в котором размещены: микропроцессор (МП), блок оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), долговременной памяти на жёстком магнитном диске (Винчестер), устройства для запуска компакт-дисков (CD) и дискет (НГМД). Там же находятся платы: сетевая, видеопамяти, обработки звука, модем (модулятор-демодулятор), интерфейсные платы, обслуживающие устройства ввода-вывода: клавиатуры, дисплея, "мыши", принтера и др.
Все функциональные узлы ПК связаны между собой через системную магистраль, представляющую из себя более трёх десятков упорядоченных микропроводников, сформированных на печатной плате.
Микропроцессор служит для обработки информации: он выбирает команды из внутренней памяти (ОЗУ или ПЗУ), расшифровывает и затем исполняет их, производя арифметические и логические операции. Получает данные из устройства ввода и посылает результаты на устройства вывода. Он вырабатывает также сигналы управления и синхронизации для согласованной работы его внутренних узлов, контролирует работу системной магистрали и всех периферийных устройств.
Упрощённая схема микропроцессора представлена на рис. "Программный принцип работы ПК" (выделена штриховой линией с надписью ЦП). В его состав входят: арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции над двоичными числами; блок регистров общего назначения (РОН), используемых для временного хранения обрабатываемой информации (R0 - R5), указателя стека (R6) и счётчика команд (R7); устройство управления (УУ), определяющее порядок работы всех узлов микропроцессора. Одной из важнейших характеристик микропроцессора является его разрядность, определяемая числом разрядов АЛУ и РОН. Современные микропроцессоры имеют 16- , 32- и 64-разрядную длину двоичного числа, а также до 200 и более различных внутренних команд.
Обработка информации осуществляется по программе, которая представляет собой последовательность команд, управляющих работой компьютера. Команда состоит из кода операции и адреса. Код операции сообщает микропроцессору, что нужно сделать, какую выполнить операцию: сложить, сравнить, переслать, очистить и т.д. Адрес указывает место, где находятся данные, подлежащие обработке. Команды бывают безадресные, одноадресные и двухадресные.
777

Выполнение любой команды состоит из двух фаз: фазы выборки и фазы исполнения. Фаза выборки начинается по сигналу начала цикла команды. При этом содержимое счётчика команд (Сч. команд) указывает на её адрес в ОЗУ (например, 1000). Как только сигнал по шине адресов поступит в ОЗУ, содержимое счётчика команд изменится на 2 и укажет адрес следующей команды. Из ОЗУ по шине данных команда поступает в регистр команд (Рег. команд) микропроцессора. В данном случае это команда ADD(R0),R1. Фаза исполнения начинается с расшифровки полученной команды. В нашем примере код операции ADD предписывает АЛУ сложить содержимое, находящееся по адресу источника, хранимому в регистре R0, с содержимым, размещенным по адресу приёмника R1, и результат поместить в регистр приёмника R1. На этом кончается фаза исполнения данной команды и микропроцессор готов к выполнению следующей команды, указанной в счётчике команд (СК+2) и т.д. Следует обратить внимание на особенность записи адреса источника R0. Этот адрес в команде взят в круглые скобки. В этом случае в регистре R0 хранятся не сами данные, а номер адреса, в котором находятся искомые данные.
Итак, компьютер функционирует лишь благодаря программному обеспечению, без которого он бесполезен. Программное обеспечение условно можно разделить на системное (например, Операционная Система Windows и др.), прикладное (например, Microsoft Office, Adobe Photoshop, Macromedia Flash и др.), инструментальное (например, Audio Editor Gold, QuickTime Player и др.).

Проверте свои знания по архитектуре Фон Неймана щелкните по кнопке

rss

РљР°СЂС‚Р°