Введение
Электронная вычислительная машина, компьютер — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.
По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса :аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ).
Критерием деления вычислительных машин на эти три класса является форма представления информации, с которой они работают. Две формы предоставления информации в машинах: а- аналоговая; б- цифровая импульсная
Цифровые вычислительные машины (ЦВМ) — вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме.
Аналоговые вычислительные машины (АВМ) — вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения).
Аналоговые вычислительные машины весьма просты и удобны в эксплуатации; программирование задач для решения на них, как правило, нетрудоемкое; скорость решения задач изменяется по желанию оператора и может быть сделана сколь угодно большой (больше, чем у ЦВМ), но точность решения задач очень низкая (относительная погрешность 2-5 %). На АВМ наиболее эффективно решать математические задачи, содержащие дифференциальные уравнения, не требующие сложной логики.
При работе аналоговый компьютер имитирует процесс вычисления, при этом характеристики, представляющие цифровые данные, в ходе времени постоянно меняются.
Результатом работы аналогового компьютера являются либо графики, изображённые на бумаге или на экране осциллографа, либо электрический сигнал, который используется для контроля процесса или работы механизма.
Эти компьютеры идеально приспособлены для осуществления автоматического контроля над производственными процессами, потому что они моментально реагируют на различные изменения во входных данных. Такого рода компьютеры широко используются в научных исследованиях. Например, в таких науках, в которых недорогие электрические или механические устройства способны имитировать изучаемые ситуации.
Гибридные вычислительные машины (ГВМ) — вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме; они совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. ГВМ целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.
Наиболее широкое применение получили ЦВМ с электрическим представлением дискретной информации — электронные цифровычеслительные машины, обычно называемые просто электронными вычислительными машинами (ЭВМ), без упоминания об их цифровом характере.
4.3. На каких принципах построены компьютеры
В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие
общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон
Нейманом.
Рис. 4.2. Джон фон Нейман, 1945 г.
1. Принцип программного управления. Из него следует, что программа
состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за
другом в определенной последовательности.
Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика
команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый
в нем адрес очередной команды на длину команды.
А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым
организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек
памяти.
Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то
другой, используются команды условного или безусловного
переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти,
содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после
достижения и выполнения команды “стоп”.
Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без
вмешательства человека.
2. Принцип однородности памяти. Программы и данные
хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в
данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять
такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей.
Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться
переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения
некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и
подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как
результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы
трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык
конкретной машины.
3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из
перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая
ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы
к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в
процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.
Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу
фон-неймановских. Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от
фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип
программного управления, т.е. они могут работать без “счетчика команд”,
указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо
переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей
имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.
Клавиатура
Клавиатура является неотъемлемым устройством ввода любого компьютера. Клавиатура представляет собой группы клавиш для ввода символьной информации. Также многие современные клавиатуры оснащаются дополнительными клавишами, например, для управления медиаплеерами и различными программами.
Мышь предназначена для перемещения системного указателя по объектам операционной системы – окнам. Обычно мышь имеет две кнопки и колесо прокрутки. Технически мыши могут быть оптическими и лазерными. Последние имеют более высокую точность и качество работы.
Дополнительные периферийные устройства персонального компьютера выполняют роль помощников и предназначены для расширения возможностей персонального компьютера. Аудиоколонки (динамики) предназначены для воспроизведения звука, принтер – для получения бумажной копии любого электронного документа или изображения, сканер – позволяет создать электронный образ с бумажного носителя и т.д. К компьютеру можно подключить и другие периферийные специализированные и диагностические устройства, которые практически безгранично расширяют область его применения.
Персональный компьютер, несмотря на кажущуюся, на первый взгляд свою сложность достаточно прост в работе и требует лишь немного терпения и упорства пользователя в его изучении. Помните, что компьютер был создан для облегчения нашей с вами работы и повышения производительности труда, поэтому не стоит сомневаться в его способностях выполнить ту или иную задачу.
4.5. Как устроен компьютер
Рассмотрим устройство компьютера на примере самой распространенной компьютерной системы — персонального компьютера. Персональным компьютером (ПК) называют сравнительно недорогой универсальный микрокомпьютер, рассчитанный на одного пользователя. Персональные компьютеры обычно проектируются на основе принципа открытой архитектуры.
Принцип открытой архитектуры заключается в следующем:
|
Упрощённая блок-схема, отражающая основные функциональные компоненты компьютерной системы в их взаимосвязи, изображена на рисунке 4.5.
Рис. 4.5. Общая структура персонального компьютера с подсоединенными периферийными устройствами
Для того, чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера, они должны иметь одинаковый интерфейс (англ. interface от inter — между, и face — лицо).
Интерфейс — это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой. |
Если интерфейс является общепринятым, например, утверждённым на уровне международных соглашений, то он называется стандартным .
Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связан с шиной определённого типа — адресной, управляющей или шиной данных.
Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты примерно по такой схеме:
Контролер или адаптер Порт Шина» height=41 src=»http://techn.sstu.ru/kafedri/%D0%BF%D0%BE%D0%B4%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F/1/MetMat/shaturn/inform/%D0%9B%D0%B5%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F%204/0038.gif» width=366>
Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.
Порты устройств представляют собой некие электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора. |
Портами также называют устройства стандартного интерфейса : последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы).
Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами — побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно. |
К последовательному порту обычно подсоединяют медленно действующие или достаточно удалённые устройства, такие, как мышь и модем. К параллельному порту подсоединяют более «быстрые» устройства — принтер и сканер. Через игровой порт подсоединяется джойстик. Клавиатура и монитор подключаются к своим специализированным портам, которые представляют собой просто разъёмы .
Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру процессора, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской (MotherBoard). А контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения (DаughterBoard — дочерняя плата) и подключаются к шине с помощью разъёмов расширения, называемых также слотами расширения (англ. slot — щель, паз).
4.5. Как устроен компьютер
Рассмотрим устройство компьютера на примере самой распространенной
компьютерной системы — персонального компьютера. Персональным компьютером
(ПК) называют сравнительно недорогой универсальный микрокомпьютер, рассчитанный
на одного пользователя. Персональные компьютеры обычно проектируются на основе
принципа открытой архитектуры.
Принцип открытой архитектуры заключается в следующем:
|
Упрощённая блок-схема, отражающая основные функциональные компоненты
компьютерной системы в их взаимосвязи, изображена на рисунке 4.5.
Рис. 4.5. Общая структура персонального компьютера с
подсоединенными периферийными устройствами
Для того, чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера, они
должны иметь одинаковый интерфейс (англ. interface от inter — между, и
face — лицо).
Интерфейс — это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой. |
Если интерфейс является общепринятым, например, утверждённым на уровне
международных соглашений, то он называется стандартным.
Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство)
связан с шиной определённого типа — адресной, управляющей или шиной
данных.
Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не
напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты примерно по
такой схеме:
Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных
цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их
интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление
периферийными устройствами по запросам микропроцессора.
Порты устройств представляют собой некие электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора. |
Портами также называют устройства стандартного интерфейса:
последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы).
Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами — побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно. |
К последовательному порту обычно подсоединяют медленно действующие или
достаточно удалённые устройства, такие, как мышь и модем. К параллельному
порту подсоединяют более «быстрые» устройства — принтер и сканер. Через
игровой порт подсоединяется джойстик. Клавиатура и монитор подключаются к
своим специализированным портам, которые представляют собой просто
разъёмы.
Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру процессора,
размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной
или материнской (MotherBoard). А
контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства,
выполняются в виде плат расширения (DаughterBoard — дочерняя плата) и
подключаются к шине с помощью разъёмов расширения, называемых также
слотами расширения (англ. slot — щель, паз).
4.9. Что такое видеоадаптер и графический акселератор
Видеоадаптер — это электронная плата, которая обрабатывает видеоданные (текст и графику) и управляет работой дисплея. Содержит видеопамять, регистры ввода вывода и модуль BIOS . Посылает в дисплей сигналы управления яркостью лучей и сигналы развертки изображения. |
Наиболее распространенный видеоадаптер на сегодняшний день — адаптер SVGA (Super Video Graphics Array — супервидеографический массив), который может отображать на экране дисплея 1280х1024 пикселей при 256 цветах и 1024х768 пикселей при 16 миллионах цветов.
С увеличением числа приложений, использующих сложную графику и видео, наряду с традиционными видеоадаптерами широко используются разнообразные устройства компьютерной обработки видеосигналов :
Рис. 4.9. Графический акселератор
· Графические акселераторы (ускорители) — специализированные графические сопроцессоры, увеличивающие эффективность видеосистемы. Их применение освобождает центральный процессор от большого объёма операций с видеоданными, так как акселераторы самостоятельно вычисляют, какие пиксели отображать на экране и каковы их цвета.
· Фрейм-грабберы , которые позволяют отображать на экране компьютера видеосигнал от видеомагнитофона, камеры, лазерного проигрывателя и т. п., с тем, чтобы захватить нужный кадр в память и впоследствии сохранить его в виде файла.
· TV-тюнеры — видеоплаты, превращающие компьютер в телевизор. TV-тюнер позволяет выбрать любую нужную телевизионную программу и отображать ее на экране в масштабируемом окне. Таким образом можно следить за ходом передачи, не прекращая работу.
4.4. Что такое архитектура и структура компьютера
При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру.
Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя. |
Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации. |
Наиболее распространены следующие архитектурные решения.
· Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа (рис. 4.1). Это однопроцессорный компьютер . К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной, подробно рассмотренная в разделе 4.18 (рис. 4.26). Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.
Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления. |
Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления периферийными устройствами.
Контроллер — устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования. |
· Многопроцессорная архитектура . Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд . Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины, имеющей общую оперативную память и несколько процессоров, представлена на рис. 4.3.
Рис. 4.3. Архитектура многопроцессорного компьютера
· Многомашинная вычислительная система . Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти , а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.
Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.
· Архитектура с параллельными процессорами . Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе — то есть по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных. Структура таких компьютеров представлена на рис. 4.4.
Рис. 4.4. Архитектура с параллельным процессором
В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений. Существуют и такие архитектурные решения, которые радикально отличаются от рассмотренных выше.
4.8. Что такое аудиоадаптер
Аудиоадаптер (Sound Blaster или звуковая плата) это специальная электронная плата, которая позволяет записывать звук, воспроизводить его и создавать программными средствами с помощью микрофона, наушников, динамиков, встроенного синтезатора и другого оборудования. |
Аудиоадаптер содержит в себе два преобразователя информации:
-
аналого-цифровой, который преобразует непрерывные (то есть,
аналоговые) звуковые сигналы (речь, музыку, шум) в цифровой двоичный код и
записывает его на магнитный носитель; -
цифро-аналоговый, выполняющий обратное преобразование сохранённого
в цифровом виде звука в аналоговый сигнал, который затем воспроизводится с
помощью акустической системы, синтезатора звука или наушников.
Профессиональные звуковые платы позволяют выполнять сложную обработку звука,
обеспечивают стереозвучание, имеют собственное ПЗУ с хранящимися в нём сотнями
тембров звучаний различных музыкальных инструментов. Звуковые файлы обычно имеют
очень большие размеры. Так, трёхминутный звуковой файл со стереозвучанием
занимает примерно 30 Мбайт памяти. Поэтому платы Sound Blaster, помимо своих
основных функций, обеспечивают автоматическое сжатие файлов.
Литература
- 1. Информатика. Сост. Д.А.Поспелов. — Педагогика-Пресс, 1994.
- 2. Нортон П. Программно-аппаратная организация.
- 3. Нортон П. Персональные компьютеры.
- 4. Основы информатики и вычислительной техники. — Под ред. А.П.Ершова. М.: Просвещение, 1988.
- 5. Свириденко С.С. Современные информационные технологии. — М.: 1989.
- 6. Экономическая информатика и вычислительная техника: Под ред. В.П.Косарева и А.Ю Королева.
- 7. В.Э. Фигурнов. IBM PC для пользователя. Изд. «Инфра-М», 1995.
- 8. К.С. Ахметов, А.Е. Борзенко. Современный персональный компьютер. М., «Компьютер-пресс», 1995.
- 9. Персональный компьютер. Ю.Л. Кетков,
- 10. Информатика. Учебное пособие для старшеклассников и абитуриентов. Под ред. проф. В.А. Каймина. М., «АСТ», 1996.
- 11. А. Шафрин. Основы компьютерной технологии. Учебное пособие для 7 11 классов по курсу «Информатика и вычислительная техника». М., «ABF», 1996.
- 12. Учебное пособие по курсам «Основы программирования», «Информатика и вычислительная техника». М., «ABF», 1996.
- 13. Информатика. Под ред. проф. Н.В. Макаровой. 2-е изд. «Финансы и статистика», М., 1998.
- 14. Ю.А. Шафрин. Информационные технологии. М., Лаборатория Базовых Знаний, 1998.
- 15. А.П. Частиков. История компьютера. М., «Информатика и образование», 1996.
- 16. С.В. Симонович, Г.А. Евсеев, А.Г. Алексеев. Общая информатика. Учебное пособие для средней школы.
- Характеристика Основных фондов предприятия (Экономика и финансы организации)
- Функции финансов предприятия (Экономика и финансы предприятия)
- Эмоциональные и волевые процессы (Способы развития воли)
- Международный рынок рабочей силы и тенденции его развития
- Планирование проекта
- Экспертиза проекта (Общее понятие экспертизы проекта)
- Характеристика деловой этики (Характеристика деловой этики)
- Проблемы выработки дивидендной политики организации
- Методы управления финансовыми рисками
- Лизинг как источник финансирования компании
- Концепция временной ценности денежной единицы
- Принтеры и особенности их функционирования.
4.2. 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.
Основные устройства компьютера и связи между ними представлены на схеме (рис.
4.1). Жирными стрелками показаны пути и направления движения информации, а
простыми стрелками — пути и направления передачи управляющих сигналов.
Рис. 4.1. Общая схема компьютера
Функции памяти:
- приём информации из других устройств;
- запоминание информации;
- выдача информации по запросу в другие устройства машины.
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. |
Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых
операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:
-
сумматор —
регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции; -
счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу
очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из
последовательных ячеек памяти; -
регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период
времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для
хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов
операндов.
4.7. Что собой представляет системная плата
Системная плата является основной в системном блоке. Она содержит компоненты,
определяющие архитектуру компьютера:
- центральный процессор;
- постоянную (ROM) и оперативную (RAM) память, кэш-память;
- интерфейсные схемы шин;
- гнёзда расширения;
- обязательные системные средства ввода-вывода и др.
Системные платы исполняются на основе наборов микросхем, которые называются
чипсетами (ChipSets). Часто на системных платах устанавливают и
контроллеры дисковых накопителей, видеоадаптер, контроллеры портов и др. В
гнёзда расширения системной платы устанавливаются платы таких периферийных
устройств, как модем, сетевая плата, видеоплата и т.п.
Рис. 4.8. Системная плата компьютера класса Pentium |
1 — Разъём под центральный процессор;2 — Дополнительный кэш объёмом 256 Кбайт;3 — Разъём под дополнительный кэш;4 — Контроллеры внешних устройств;5 — Разъёмы накопителей на жёстких магнитных дисках;6 — Разъёмы под оперативную память, 4 планки;7 — Коннектор (соединитель) клавиатуры и мыши;8 — Микросхема, обслуживающая флоппи-дисковод, последовательные порты и параллельный порт;9 — Разъёмы 32-битной шины (для видеокарты, карты Интернет и др.);10 — Перезаписываемая BIOS (Flash-память);11 — Мультимедийная шина;12 — Разъёмы 16-битной шины. |