Аппаратное обеспечение реализации информационных процессов

ЛЕКЦИЯ 2.  Аппаратное обеспечение  реализации информационных

процессов.

План.

Принцип устройства компьютера.

Основные блоки и качественные характеристики ПК.

Периферийные устройства.

Микропроцессор.

Оперативная память, кэш-память.

Мониторы.

1. Принцип устройства компьютера.

Как бы ни выглядел компьютер, каких бы ни был размеров, для чего бы его не использовали – для игр, создания документов или управления космическими полетами, главными его свойствами были, есть и будут ввод, обработка, хранение и вывод информации. Компьютер принимает данные, перерабатывает их, хранит результат и выдает его, следуя командам, поступающим от человека.



Информация

Информация                               В Ы В О Д       













                                                                                       В

                                                                                       В                                                                                         

                                                                                       О

                                                                                       Д







В системе, способной выполнять описанные функции, должно быть предусмотрено минимум два устройства: запоминающее – для хранения данных и преобразующее – то, что производит все вычисления, которое назовем центральным процессором. Кроме того, для ввода данных в компьютер и вывода результатов работы нужны специальные устройства ввода и вывода.

Согласно принципам, сформулированным в 1949 году американским математиком Джоном фон Нейманом, центральный процессор выполняет хранящиеся в памяти программы, оперирует данными, управляет всеми компонентами компьютера и состоит из устройства управления, воспринимающего команды программ и организующего их выполнение, и арифметико-логического устройства, предназначенного только для вычислений. Процессор должен быть напрямую связан с блоком памяти, где должны находиться команды или данные, готовые для обработки, т.е. промежуточные данные, находящиеся на пути от постоянного носителя к центральному процессору и обратно. Этот «буфер», хранящий оперативную информацию, называется оперативной памятью.

Однако объемов оперативной памяти зачастую оказывается недостаточно, поэтому для долговременного хранения данных понадобятся специальные носители, с которых процессор сможет считывать программы и данные и на которые будет записывать результаты по мере наполнения запоминающего устройства. Это значит, что носители данных тоже будут устройствами ввода-вывода: мы можем ввести текст с клавиатуры, затем сохранить его на носителе, а потом взять готовый текст с носителя.

Общая схема описанного  устройства такова:



Устройства ввода и вывода









Память









	

Центральный процессор







Основные блоки и качественные характеристики ПК.

Компьютеры – это универсальные электронные вычислительные машины (ЭВМ), используемые для накопления, обработки и передачи информации. Самое широкое распространение получили персональные компьютеры, предназначенные для индивидуальной работы.

Персональные компьютеры – это малогабаритные вычислительные машины, которые могут быть установлены на любом рабочем месте.

Структурная схема ПК.



Математический

сопроцессор







Т

А

Й

М

Е

Р





Внешняя память

Основная память

Микропроцессор

И

Н

Т

Е

Р

Ф

Е

Й

С

Н

А

Я



С

И

С

Т

Е

М

А





НГМД

НЖМД

ОЗУ

ПЗУ

Арифметико-логическое устройство (АЛУ)





Адаптер НГМД

Адаптер НЖМД



Микропроцессорная память (МПП)





С И С Т Е М Н А Я       Ш И Н А



Устройство управления (УУ)



Сетевой адаптер

Источник питания

Адаптер принтера

видеоадаптер







Печатающее устройство

Видеомонитор (дисплей)                                                                                                                                                        

                                                                                                                                                                      Канал

                                                                                                                                                                      связи 

                                                                                                                                                                        



Интерфейс клавиатуры

Генератор тактовых импульсов





Клавиатура



Минимальный состав персональных компьютеров:

системный блок 

монитор (дисплей)

клавиатура

Системный блок является в компьютере главной составной частью. В нем располагаются все основные узлы компьютера:

		электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессор, оперативная память, контроллеры устройств и т.д.);

		блок питания, который преобразует электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;

		накопители (или дисководы) для гибких магнитных дисков, используемые для чтения и записи на гибкие магнитные диски (дискеты);

		накопитель на жестком магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на несъемный жесткий магнитный диск (винчестер);

		другие устройства.

Возможности компьютеров зависят от типа и быстродействия процессора, а также от объемов оперативной и долговременной памяти. 

Микропроцессор – это устройство управления компьютером. Быстродействие компьютеров определяется числом операций, выполняемых процессором за одну секунду. Основной функцией процессоров является автоматическое управление работой ЭВМ с помощью программ, размещаемых в оперативной памяти.

В компьютерах первого поколения быстродействие процессоров составляло несколько тысяч операций в секунду; второго поколения – несколько десятков тысяч, а в машинах третьего поколения – несколько сотен тысяч операций в секунду.

Быстродействие персональных компьютеров четвертого поколения – несколько миллионов операций в секунду. В компьютерах следующих поколений быстродействие будет составлять десятки и даже сотни миллионов операций в секунду.

Устройство управления (УУ) – формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.

Микропроцессорная память (МПП) – служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины.

Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины.

Интерфейсная система микропроцессора – реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК.

Интерфейс – это совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие.

Генератор тактовых импульсов – генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины.

Системная шина – это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Обеспечивает 3 направления передачи информации:

между микропроцессором и основной памятью;

между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Таймер – внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени. Таймер подключается к автономному источнику питания – аккумулятору и при отключении машины от сети продолжает работать.

Монитор (дисплей) – это устройство отображения информации на электронном экране. Дисплеи в персональных компьютерах могут быть цветными и черно-белыми. Информация на мониторах обычно отображается как в телевизоре – на экране электронно-лучевой трубки.

Клавиатура содержит клавиши, как правило, латинского и русского алфавитов. Кроме того, на клавиатуре имеются цифры и другие специальные знаки. Нажимая на эти клавиши, можно вводить в компьютер самую разную информацию – числа, слова, фразы, а также команды управления компьютером.

Мышь – устройство, которое подсоединяется к персональному компьютеру электрическим шнуром и которое можно перемещать по столу.

Минимальной единицей информации считается бит. Бит – это величина, принимающая значение 0 или 1. Любая другая информация может быть закодирована последовательностью из нулей и единиц. Именно в таком виде вся информация представляется в памяти ЭВМ.

Единицей памяти в современных ЭВМ считается байт. Байты – это 8-разрядные двоичные числа вида – 00000000, 00000001, …, 11111111. Один байт записывается в виде 8 двоичных знаков информации – нулей и единиц: 1 байт = 8 бит.

Для измерения памяти большого объема используются следующие единицы:

1 Кбайт  = 1024 байт    (1 килобайт);

1 Мбайт = 1024 Кбайт  (1 мегабайт);

1 Гбайт  = 1024 Мбайт  (1 гигабайт).

Машины первого поколения имели оперативную память порядка нескольких килобайт, компьютеры второго поколения – десятки килобайт, а машины третьего поколения – сотни килобайт.

Скорость передачи информации по линиям связи оценивается в бодах и килободах. Скорость в один бод – это передача одного бита в секунду:

1 бод = 1бит/секунда

1Кбод = 1024 бод.

Периферийные устройства ПК.

К периферийным устройствам ПК относятся:

магнитные накопители;

принтер;

сканер;

модем.

Магнитные накопители – дисководы - наиболее широко распространенные устройства ввода-вывода. В настольных моделях ПК они монтируются в системный блок, а в переносных компьютерах – часто подключаются как внешние устройства. Они применяются для работы с магнитными носителями. Основной носитель информации – магнитный диск, который используется для долговременного хранения информации и программ в персональном компьютере. 

Магнитные диски бывают – гибкие и жесткие.

Жесткие диски – это устройства хранения информации, программ и данных в ЭВМ. В персональных компьютерах  жесткие диски обычно несъемные, т.е. находятся внутри системного блока и служат для постоянного хранения программ, данных, архивов и т.п. Объем памяти на жестких дисках в современных компьютерах имеет диапазон от нескольких мегабайт до нескольких гигабайт. В компьютерах новых поколений объем памяти на жестких магнитных дисках будет составлять десятки и сотни гигабайт.

Магнитные носители винчестеров изготовлены на твердой основе и вместе с головками чтения-записи вмонтированы прямо в дисковод и изолированы от внешней среды (поэтому жесткие диски ещё называют несъемными).                                                                                                                                                                                                             

Гибкие диски (дискеты) – это сменные носители информации, на которых программы и данные можно хранить отдельно от ЭВМ. Гибкие диски используют для личного хранения и переноса программ и данных от одного компьютера к другому. Объем памяти на наиболее распространенных гибких магнитных дисках  составляет от 360 Кбайт до 1,68 Мбайт. Пользуясь дисководом, мы видим только прорезь для вставки дискет, внутри же н6аходятся головки чтения-записи, подобные звукоснимателю проигрывателя. Диск вращается, головка может двигаться по концентрическим  линиям, записывая или считывая информацию.

Принтер – это печатающее устройство, подсоединяемое к компьютерам. Наибольшее распространение получили три типа принтеров, различающихся скоростью и качеством печати: матричные, струйные и лазерные. 

Самые простые и дешевые среди них – матричные. Это устройства ударного действия с красящей лентой, печатающая головка которых снабжена вертикальным рядом игл, создающих изображение путем многократных последовательных проходов поперек листа бумаги. 

Самые быстрые и качественные – лазерные, работающие по принципу электризации печатающего барабана лазерным лучом – участки с измененной полярностью притягивают порошкообразный тонер и затем наносят его на бумагу. Лазерные принтеры снабжаются большим объемом собственной оперативной памяти – 4 Мбайт и выше. 

Струйные – самые качественные среди дешевых принтеров. Они создают изображение путем нанесения на бумагу жидкого тонера.

Сканер – устройство, позволяющее вводить в компьютер образы изображений, представленных в виде текста, рисунков, слайдов, фотографий и другой графической информации. Сканер создает в компьютере электронную копию изображения, считываемого с бумаги многоэлементными фотоприемными линейками с применением протяженного осветителя и объектива.

Модем – это устройство передачи информации по линиям телефонной связи. С помощью модемов персональные компьютеры могут подключаться через телефонную сеть к другим компьютерам, а также входить в различные телекоммуникационные компьютерные сети.



4. Микропроцессор.

Самым главным элементом в компьютере является – микропроцессор - небольшая (в несколько сантиметров) электронная схема, выполняющая все вычисления и обработку информации. Это универсальное логическое устройство, которое оперирует с двоичными числами, осуществляя простейшие логические и математические операции в соответствии с программой, т.е. в заданной последовательности. Для хранения этой заданной последовательности служат запоминающие устройства:

	постоянные – ПЗУ – в которых информация хранится, не изменяясь сколь угодно долго;

	оперативные – ОЗУ – информация в которых может быть изменена в любой момент в соответствии с результатами её обработки.

Микропроцессор состоит из набора регистров памяти различного назначения, которые определенным образом связаны между собой и обрабатываются в соответствии с некоторой системой правил.

Микропроцессор осуществляет выполнение программ, работающих на компьютере и управляет работой остальных устройств компьютера. Скорость его работы во многом определяет быстродействие компьютера.

Микропроцессор умеет выполнять сотни различных операций и делает это со скоростью в несколько десятков и даже сотен миллионов операций в секунду.

Микропроцессоры отличаются друг от друга 2 характеристиками типом (моделью)и тактовой частотой.

Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую частоту. Чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена микропроцессора.

Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет в 1 секунду. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц). Микропроцессоры могут иметь тактовую частоту от 20МГц (386SL) до 1000 МГц (Pentium III), 1400 и выше МГц (Pentium IV и т.д.).

Быстродействие микропроцессора во многом определяет скорость работы самого компьютера и диапазон его применения (бухгалтерия, инженерия, компьютерные игры и др.)



Оперативная память, кэш-память.

Память - обязательный элемент конструкции компьютера. Память компьютера состоит из оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), или памяти произвольного доступа (Random Access Memory, RAM), и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ – Read-Only Memory, ROM). 

Именно RAM – оперативная память – является очень важным элементом компьютера. Именно из неё процессор берет программы и исходные данные для обработки, в неё он записывает полученные результаты. Название «ОПЕРАТИВНАЯ» эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору практически не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память. Однако содержащиеся в ней данные сохраняются только пока компьютер включен. При выключения компьютера содержимое оперативной памяти стирается. От количества установленной в компьютере оперативной памяти напрямую зависит, с какими программами мы можем на нем работать. При недостаточном количестве оперативной памяти многие программы либо вовсе не будут работать, либо станут работать крайне медленно. Так Pentium II Xeon имеет 1-2 Мбайта быстрой кэш-памяти; один из мощнейших процессоров Intel – Pentium III – 512 Кбайт кэш-памяти; наиболее мощный микропроцессор Pentium III Xeon – 1-2 Мбайт.

Для ускорения доступа к оперативной памяти на быстродействующих компьютерах используется специальная сверхбыстродействующая  Кэш-память, которая располагается как бы «между» микропроцессором и оперативной памятью и хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. При обращении микропроцессора к памяти  сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные уже содержатся в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается. Обычно Pentium оснащаются кэш-памятью емкостью 256 Кбайт. Для систем на базе Pentium, использующих многозадачные операционные системы, может быть целесообразна кэш-память в 512 Кбайт.

Мониторы.

Монитор (дисплей) предназначен для вывода на экран текстовой и графической информации. Главным элементом любого монитора является его электронно-лучевая трубка, или кинескоп. Параметры электронно-лучевой трубки потенциально определяют качество получаемого изображения.

Главным параметром монитора  является размер его экрана по диагонали (именно этот параметр в основном влияет на цену прибора).  На сегодняшний день на российском рынке наиболее популярны  мониторы с размером 14 и 15 дюймов. Реже приобретаются дисплеи с 17-дюймовым кинескопом, ещё реже – 20- и 21-дюймовые мониторы (которые в основном используются для профессиональной работы в серьезных учреждениях). Существуют совсем экзотические мониторы с размером 28 и до 37 дюймов, предназначенные для демонстрационных целей.

Под термином «размер» обычно понимается внешний диагональный размер кинескопа. Именно этот размер и указывается,  когда говорят о 14-,15-, 17-, 20- и 21-дюймовых мониторах. Мониторы могут быть цветные и монохромные. В зависимости от назначения мониторы оснащаются  разными средствами регулировки, цветокорректировки и т.д. Различные мониторы могут поддерживать разные разрешения, т.е. количества точек в выводимом изображении по горизонтали и вертикали – от 640 х 480 точек до 1600 х 1280 точек на самых больших профессиональных мониторах. Чем выше разрешение, тем более детальным может быть изображение на экране.