Архитектура компьютеров. Основные характеристики компьютеров. Многообразие компьютеров.

Лекция № 10

Тема: Архитектура компьютеров. Основные характеристики компьютеров.
Многообразие компьютеров.

Теоретический материал лекции имеет мультимедийное сопровождение (презентацию Лекция 10)

Компьютер (англ. computer — вычислитель) представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами.

Существует два основных класса компьютеров: цифровые компьютеры, обрабатывающие данные в виде двоичных кодов; аналоговые компьютеры, обрабатывающие непрерывно меняющиеся физические величины (электрическое напряжение, время и т.д.), которые являются аналогами вычисляемых величин.

Поскольку в настоящее время подавляющее большинство компьютеров являются цифровыми, далее будем рассматривать только этот класс компьютеров и слово "компьютер" употреблять в значении "цифровой компьютер".

Основу компьютеров образует аппаратура (HardWare), построенная, в основном, с использованием электронных и электромеханических элементов и устройств. Принцип действия компьютеров состоит в выполнении программ (SoftWare) — заранее заданных, четко определённых последовательностей арифметических, логических и других операций. 

Любая компьютерная программа представляет собой последовательность отдельных команд.

Команда — это описание операции, которую должен выполнить компьютер. Как правило, у команды есть свой код (условное обозначение), исходные данные (операнды) и результат. 

Например, у команды "сложить два числа" операндами являются слагаемые, а результатом — их сумма. А у команды "стоп" операндов нет, а результатом является прекращение работы программы.

Результат команды вырабатывается по точно определенным для данной команды правилам, заложенным в конструкцию компьютера. Совокупность команд, выполняемых данным компьютером, называется системой команд этого компьютера.  Компьютеры работают с очень высокой скоростью, составляющей миллионы — сотни миллионов операций в секунду.

Как устроен компьютер?

Разнообразие современных компьютеров очень велико. Но их структуры основаны на общих логических принципах, позволяющих выделить в любом компьютере следующие главные устройства: память (запоминающее устройство, ЗУ), состоящую из перенумерованных ячеек;

процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ); устройство ввода; устройство вывода. Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация.

Архитектура компьютера

         Все современные компьютеры имеют одинаковую внутреннюю организацию. В ее основу положен магистрально-модульный принцип или принцип открытой архитектуры.  Магистраль (материнская плата) — это общая линия проводников, к которым через специальные разъемы (порты или слоты) подключаются различные устройства компьютера (модули). Обмен информацией между модулями осуществляется через магистраль.

Основные характеристики компьютеров

Производительность (быстродействие) ПК – возможность компьютера обрабатывать большие объёмы информации. Определяется быстродействием процессора, объёмом ОП и скоростью доступа к ней (например, Pentium III обрабатывает информацию со скоростью в сотни миллионов операций в секунду)

Производительность (быстродействие) процессора – количество элементарных операций, выполняемых за 1 секунду.

Тактовая частота процессора (частота синхронизации) - число тактов процессора в секунду, а такт – промежуток времени (микросекунды), за который выполняется элементарная операция (например, сложение). Таким образом, тактовая частота — это число вырабатываемых за секунду импульсов, синхронизирующих работу узлов компьютера. Именно ТЧ определяет быстродействие компьютера

Разрядность процессора – max длина (кол-во разрядов) двоичного кода, который может обрабатываться и передаваться процессором целиком.

Разрядность связана с размером специальных ячеек памяти – регистрами. Регистр в 1 байт (8бит) называют восьмиразрядным, в 2 байта – 16-разрядным и т.д.  Высокопроизводительные компьютеры имеют 8-байтовые регистры (64 разряда)

Время доступа - быстродействие модулей ОП, это период времени, необходимый для считывания min порции информации из ячеек памяти или записи в память. Современные модули обладают скоростью доступа свыше 10нс (1нс=10^-9с)

Объем памяти (ёмкость) –  max объем информации, который может храниться в ней.

Плотность записи – объем информации, записанной на единице длины дорожки (бит/мм)

Скорость обмена информации – скорость записи/считывания на носитель, которая определяется скоростью вращения и перемещения этого носителя в устройстве

ПРОЦЕССОР.  Это "мозг" компьютера, состоит  из устройства управления  работой компьютера (УУ) и арифметико-логического устройства (АЛУ), где  производятся все операции (сложение, сравнение и др.).

 Характеристики процессора:

 а) Тактовая частота (скорость работы процессора). Измеряется в мегагерцах (MHz).

 б) разрядность (объем информации, который процессор обрабатывает за 1 операцию). 

       Устройство процессора позволяет осуществлять программный принцип работы самого компьютера, когда процессор сам читает очередную команду и сам ее выполняет, или дает команду на выполнение другим устройствам компьютера через магистраль.

Функции процессора: обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций; программное управление работой устройств компьютера.

Та часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется устройством управления (УУ).  Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.

В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами. Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, "вырезать" отдельные части команды для последующего их использования или выполнять определенные арифметические операции над числами.  Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд двоичного кода). Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления. 

ПАМЯТЬ. Имеются два вида памяти: внутренняя и внешняя.

 Функции памяти: приём информации из других устройств; запоминание информации;

выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Ø Внутренняя память компьютера делится на постоянную память (ROM) и оперативную память (RAM).

а) Постоянная память (ROM) содержит программу первоначальной загрузки компьютера, программы проверки работоспособности всех частей компьютера и  не может быть изменена пользователем. Этот комплекс программ называется BIOS (базовая система ввода-вывода). Информация, хранящаяся в ПП сохраняется при выключении компьютера.

  б) Оперативная память (RAM). Информация, хранящаяся в ОП изменяется в процессе работы компьютера. Оперативная память состоит из ячеек. В каждой из них может храниться один байт информации. Чтобы не «перепутать» ячейки в процессе обработки информации, компьютер каждой из них присваивает свой номер, который называется адресом ячейки.

ОП делится на области для хранения различных видов информации.  Основные из них:

·      системные переменные - хранится информация для работы  управляющей программы;

·      программная область   - хранятся программы пользователя;

·      буфер обмена – используется для обмена информацией между программами.

·      буфер страницы экрана - размещается копия содержимого экрана;

·      переменные            - хранятся данные программы пользователя;

·      буфер текущей строки  - хранится набираемая на клавиатуре строка;

·      блок вычислений - используется процессором для хранения промежуточных этапов    вычислений;

·      системный блок - хранятся  адреса  и  номера строк выполняемой программы;

·      свободная область - используется программой пользователя или другими ОЗУ при   переполнении.

В современных компьютерах применяются два вида RAM: DIMM – более быстрая, и   SIMM – более надежная. Объем оперативной памяти компьютера измеряется в Мегабайтах (Mb). Оперативная память может иметь 8, 16, 32, 64, 128 и 256 Mb.

Микросхемы ОП запоминают и выдают данные очень быстро, но для хранения информации они не годятся – здесь нужны другие способы. Когда человеку нужно что-то прочно запомнить, он использует записную книжку. Для таких же целей в компьютере служит внешняя память.

Внешняя память компьютера состоит из нескольких устройств. У каждого из них есть имя, чтобы отличать устройства памяти друг от друга.

1.      Гибкие магнитные диски (FDD) иначе называют дискетами. Их имена – А: и В:, если дисковод один, то имя его А:. Сейчас обычно применяют дискеты размером 3,5”. На такую дискету помещается 1,4 Mb информации, это, примерно, книга до 500 листов без картинок.

2.      Жесткий магнитный диск (HDD, винчестер). Это наиболее емкое хранилище информации. Он может быть разделен на части (логические диски). Имена логических дисков – C:, D: … Если винчестер не разбит на логические диски, то имя его С:. На винчестер помещается до 10 Gb (Гигабайт) информации.

3.      Лазерный компакт-диск (CD). Его имя – Е: (следующая буква за именами логических дисков винчестера). На компакт-диск помещается до 640 Mb информации.

Структура данных на магнитном диске. Чтобы ту или иную информацию можно было не только записать, но и потом прочитать, у нее должен быть адрес.

Наименьшая единица хранения информации на диске, имеющая свой адрес называется файлом.

Чтобы у каждого файла на диске был свой адрес, диск разбивают на дорожки, а дорожки в свою очередь разбивают на секторы. Размер каждого сектора равен 512 байт. Разбиение диска на дорожки называют форматированием диска. Самая первая дорожка магнитного диска (нулевая) считается служебной. На ней хранится каталог диска – таблица размещения файлов на диске (FAT – таблица). Если эта таблица будет повреждена, то информация на диске станет недоступной.

Монитор. Мониторы компьютеров определяются размером диагонали экрана, которая измеряется в дюймах (14”, 15”, 17” и т.д.). Если компьютер предназначен для работы с графикой, то экран должен быть не менее 17”.

Какие основные блоки входят в состав компьютера?

Современный персональный компьютер состоит из нескольких основных конструктивных компонентов:  системного блока;  монитора; клавиатуры; манипуляторов.

В системном блоке размещаются:

блок питания; накопитель на жёстких магнитных дисках; накопитель на гибких магнитных дисках; системная плата; платы расширения; накопитель CD-ROM; и др. Корпус системного блока может иметь горизонтальную (DeskTop) или вертикальную (Tower — башня) компоновку.

Периферийные (внешние) устройства персонального компьютера подключаются к его интерфейсам и предназначены для выполнения вспомогательных операций. Благодаря этим устройствам компьютерная система приобретает гибкость и универсальность.

По назначению периферийные устройства можно подразделить на:

–      устройства ввода данных;

–      устройства вывода данных;

–      устройства хранения данных.

Клавиатура

Клавиатура компьютера — устройство для ввода информации в компьютер и подачи управляющих сигналов. Содержит стандартный набор клавиш печатной машинки и некоторые дополнительные клавиши — управляющие и функциональные клавиши, клавиши управления курсором и малую цифровую клавиатуру. Все символы, набираемые на клавиатуре, немедленно отображаются на мониторе в позиции курсора (курсор — светящийся символ на экране монитора, указывающий позицию, на которой будет отображаться следующий вводимый с клавиатуры знак). Наиболее распространена сегодня клавиатура c раскладкой клавиш QWERTY (читается "кверти"), названная так по клавишам, расположенным в верхнем левом ряду алфавитно-цифровой части клавиатуры.

 Клавиатура имеет 12 функциональных клавиш, расположенных вдоль верхнего края. Нажатие функциональной клавиши приводит к посылке в компьютер не одного символа, а целой совокупности символов. Функциональные клавиши могут программироваться пользователем. Например, во многих программах для получения помощи (подсказки) задействована клавиша F1, а для выхода из программы — клавиша F10.

Управляющие клавиши имеют следующее назначение:

Enter — клавиша ввода; Esc (Escape — выход) клавиша для отмены каких-либо действий, выхода из программы, из меню и т.п.; Ctrl и Alt — эти клавиши самостоятельного значения не имеют, но при нажатии совместно с другими управляющими клавишами изменяют их действие; Shift (регистр) — обеспечивает смену регистра клавиш (верхнего на нижний и наоборот); Insert (вставлять) — переключает режимы вставки (новые cимволы вводятся посреди уже набранных, раздвигая их) и замены (старые символы замещаются новыми);

Delete (удалять) — удаляет символ с позиции курсора; Back Space или  — удаляет символ перед курсором; Home и End — обеспечивают перемещение курсора в первую и последнюю позицию строки, соответственно; Page Up и Page Down — обеспечивают перемещение по тексту на одну страницу (один экран) назад и вперед, соответственно; Tab — клавиша табуляции, обеспечивает перемещение курсора вправо сразу на несколько позиций до очередной позиции табуляции; Caps Lock — фиксирует верхний регистр, обеспечивает ввод прописных букв вместо строчных; Print Screen — обеспечивает печать информации, видимой в текущий момент на экране.

Малая цифровая клавиатура используется в двух режимах — ввода чисел и управления курсором. Переключение этих режимов осуществляется клавишей Num Lock.

Мышь. Удобное устройство, с помощью которого можно управлять объектами. Имеет две или три кнопки: Левая кнопка – для выделения объекта; включения-выключения кнопок на экране; выбора пункта меню; перетаскивания. Правая кнопка – контекстное меню. Средняя кнопка (если есть) – прокрутка.

ДРУГИЕ УСТРОЙСТВА. Дополнительно к компьютеру подключаются:

·      колонки или наушники (если есть звуковая плата);

·      принтер (устройство печати);

сканер: планшетный, ручной, протяжный. Применяется для записи на компьютер графики и текста с бумажных носителей информации.

Многообразие компьютеров

В настоящее время рынок персональных компьютеров представлен огромным количеством моделей различных конфигураций. Основными факторами, влияющими на дальнейшее развитие компьютерной индустрии, станет снижение цен, появление в этом сегменте рынка все большего числа производителей. Компьютерный бизнес — одна из самых динамично развивающихся сфер как российской, так и мировой экономики. Также положительную динамику рынка персональных компьютеров связывают с глобальной «мобилизацией» потребителей. Сегодня все больше рядовых пользователей переходят с громоздких настольных машин на портативные ПК — например, ноутбуки и нетбуки. Немудрено, что при таком невероятном многообразии компьютеров пользователю практически невозможно выбрать персональный компьютер самостоятельно.

Существует различные системы классификации ЭВМ:

–      по производительности и быстродействию;

–      по назначению;

–      по уровню специализации;

–      по типу используемого процессора;

–      по особенностям архитектуры;

–      по размерам.

Рассмотрим одну из таких классификаций.

Персональные компьютеры

Стационарные компьютеры. Занимают постоянное место, например, компьютерный стол. Обладают большими вычислительными мощностями чем переносные гаджеты. Выделим основные виды подобных устройств:

–      Десктопы. Самые мощные и производительные персональные компьютеры, основным компонентом которого является системный блок, занимающий постоянное место. К блоку подключаются периферийные устройства – клавиатура, мышь, монитор и прочее. Такое устройство является модульным, то есть отдельные его части подлежат замене, что позволяет постоянно обновлять и улучшать показатели работы компьютера.

–      Неттопы. По сути это те же десктопы, но они обладают меньшими габаритами и более экономным энергопотреблением. Их производительность меньше, но для некоторых задач она не настолько важна, а вот отсутствие шума для некоторых покупателей является приоритетом. Такой девайс занимает меньше места и его значительно проще разместить в домашних или офисных условиях, что также имеет высокую ценность в некоторых ситуациях.

–      Моноблоки. У данного вида стационарных ПК отсутствует видимый системный блок – все его компоненты размещены в мониторе, который так же служит корпусом для комплектующих. Такие устройства обладают высокой эстетичностью и меньшими требованиями к наличию свободного места, а топовые моноблоки практически не уступают по характеристикам привычным десктопам.

Портативные компьютеры – переносные персональные компьютеры, имеют высокие требования к мобильности конструкции и ее весу, способны работать в автономном режиме, для увеличения которого производители зачастую жертвуют производительностью системы. Этот вид ПК классифицируют следующим образом:

–      Ноутбуки – переносные компьютеры, оснащенные батареей, которая позволяет устройство работать без подключения к электрической сети. В одном корпусе такого гаджета одновременно находятся все необходимые элементы – монитор, клавиатура, процессор и прочая начинка.

–      Нетбуки – это компактные ноутбуки, которые приносят производительность в жертву легкости веса и упрощения мобильности, они отлично подходят для тех, кто любит работать не только за определенным рабочим местом, но и буквально где придется – в поезде, кафе или библиотеке.

–      Планшеты – нечто среднее между смартфонами и ноутбуками. Обладают довольной большой диагональю экрана порядка 10 дюймов, весят заметно меньше ноутбуков. Управляются посредством сенсорного дисплея, хотя, например, планшетные ноутбуки обладают полноценной клавиатурой.

–      Карманные компьютеры и смартфоны. Форм-фактор КПК был крайне популярен на заре нулевых, когда мобильные телефоны еще не предоставляли широких возможностей. Пришедшие на смену КПК смартфоны проигрывают в производительности более тяжелым и мощным ноутбукам, зато они имеют неоспоримое достоинство – они умещаются в карман и их всегда можно иметь под рукой.

Вычислительные серверы – благодаря таким компьютерам обеспечивается доступ к сетям, в том числе и интернету. Все файлы и информация, которую пользователь видит на экране монитора при веб-серфинге, хранится на таких серверах. Для таких компьютеров огромную роль играет производительность, но есть и более важная характеристика подобных систем – надежность. Вычислительные серверы должны без сбоев работать весь срок своей службы. Такие типы компьютеров всегда имеют резервные копии данных, что сказывается на общей концепции их архитектуры.

В основе такой аппаратуры лежит параллельная обработка информации, потому серверы стали пионерами в развитии многопроцессорности и многоядерности, которая сегодня используется уже повсеместно.

Суперкомпьютеры –профессиональные машины с наиболее высокой на сегодняшний день производительностью, они используются в научных лабораториях и крупном бизнесе. Такое устройство представляет собой целый комплекс компьютерных устройств, который может занимать огромные помещения. Каждый составной элемент подобной махины отвечает за свою конкретную задачу, подобная структуризация и векторная организация позволяют решать самые сложные проблемы, требующие невероятного объема расчетов.

Другие виды – многие устройства, которые привычно воспринимаются опосредовано от компьютерной составляющей, например, банкоматы или игровые приставки, также по большому счету являются компьютерами. Бытовая техника тоже имеет в себе встроенные компьютеры, ответственные за выполнение ряда функций. Роботы, которые постепенно получают все большее распространение в нашей жизни, так же являются компьютерными устройствами.

Контрольные вопросы

1.      В чем заключается программный принцип работы компьютера?

2.      Из каких устройств состоит процессор?

3.      Назовите характеристики процессора.

4.      В чем заключается программный принцип работы процессора?

5.      На какие два класса делится память компьютера?

6.      Назовите программы, содержащиеся в постоянной памяти компьютера.

Скачано с www.znanio.ru