Архитектура компьютера

Содержание: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение

     Данная  работа посвящена теме «Архитектура и принцип работы персонального компьютера, назначение и характеристики устройств». Бурный процесс научно-технической революции и компьютеризации большей части деятельности общества приводит к необходимости владения компьютерной техникой любого члена современного общества. Современному человеку необходимо не только владеть основными навыками работы с компьютером (работа с офисными пакетами, в частности  MS Word), но и знать устройство компьютера. Именно этими факторами обусловлена актуальность данной работы.

     Целью данной работы является исследование архитектуры и принципов работы современного компьютера, а также изучение его основных устройств и их характеристик. Задачи исследования вытекают из поставленной  исследования:

1. Определить, что понимается под архитектурой компьютера.
2. Изучить принцип работы современного компьютера.
3. Исследовать основные устройства компьютера, их назначение и характеристики.

     В работе использовались различные источники, список которых приведен ниже. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1. Архитектура компьютера, структурная схема

     Архитектурой компьютера называют, прежде всего, систему составляющих компьютер устройств и взаимосвязей между ними, а также совокупность правил, по которым происходит это взаимодействие. К архитектуре компьютера относятся характеристики отдельных устройств компьютера, структура и способы доступа к памяти и к внешним устройствам, система машинных команд компьютера, форматы данных, используемые в машинных командах, и др.¹

     В основу архитектуры современных  персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами (Рис. 1). 

     2. Принцип работы  компьютера

     Прежде  всего, компьютер должен иметь следующие устройства:

     - арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;

     - устройство управления, которое организует процесс выполнения программ;

     - запоминающее устройство, или память для хранения про 
грамм и данных;

     - внешние устройства для ввода-вывода информации.

     Память  компьютера должна состоять из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легко доступны для других устройств компьютера.

     Вот каковы должны быть связи между устройствами компьютера (Рис 2. - одинарные линии показывают управляющие связи, двойные - инфрормационные).

     В общих чертах работу компьютера можно описать так. Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа. Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических или логических операций, чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций или запись их результатов в память, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство.

     Как правило, после выполнения одной команды устройство управления начинает выполнять команду из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что тому следует продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в некоторой другой ячейке памяти. Такой «скачок», или переход, в программе может выполняться не всегда, а только при выполнении некоторых условий, например, если некоторые числа равны, если в результате различные последовательности команд в зависимости от выполнения определенных условий и т.д., т.е. создавать сложные программы.²

     3. Основные устройства компьютера

     3.1 Устройство управления.

     Микропроцессор (МП). Это центральный блок компьютера, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

     В состав микропроцессора входят:

     - 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 памятиспользуемых 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 (в некоторых моделях компьютеров для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор);

     - 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, ибо основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Регистры — быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек основной памяти, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие);³

- интерфейсная  система микропроцессора - реализует сопряжение и связь с другими устройствами компьютера; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной. Интерфейс (interface) — совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. Порт ввода-вывода (I/O — Input/Output port) — аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК.

Пользовательские характеристики:

- степень интеграции микросхемы- показывает, сколько транзисторов может в ней уместиться.

- тактовая частота - определяется максимальным временем выполнения элементарного действия в микропроцессоре. Чем выше тактовая частота МП (при прочих равных условиях), тем выше его быстродействие;

- адресное  пространство.  Разрядность  адресной  шины 
определяет количество ячеек оперативной памяти, к которым может адресоваться ЦПУ. При n-разрядной адрес 
ной шине адресное пространство равно 2";

- разрядность максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно.

     3.2 Устройства передачи информации.

     Системная шина. Это основная интерфейсная система  компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина включает в себя:

     - кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;

     - кодовую шину адреса (КША), включающую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;

     - кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины;

     - шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.

     Системная шина обеспечивает три направления  передачи информации:

1. между микропроцессором и основной памятью;
2. между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
3. между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств в режиме прямого доступа к памяти).

     Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему - контроллер шины, формирующий основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.

     Пользовательские  характеристики:

     - разрядность - количество битов информации, параллельно «проходящих» через неё. Чем выше разрядность шины, тем больше данных может быть передано за определенный промежуток времени и тем выше производительность компьютера;

     - пропускная способность - количество битов информации, передаваемых по шине за секунду.⁴

     3.3 Устройства хранения информации.

     Внутренняя  память. Она предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. Внутренняя память содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

     ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (изменить информацию в ПЗУ нельзя).

     ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом компьютером в текущий период времени. Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка оперативной памяти следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость).

     Основные  пользовательские характеристики:

     - ёмкость (объём) — количество байтов памяти. Однако часто байт оказывается слишком малой единицей, поэтому используют систему более крупных единиц: килобайт (Кбайт) — 1024 байта = 2¹⁰ байтов; мегабайт (Мбайт) — 1024 Кбайт; гигабайт (Гбайт) — 1024 Мбайт;

     - быстродействие — время обращения к ячейкам памяти, определяемое временем считывания или временем записи информации. Измеряется в наносекундах (10~⁹ с);

      - разрядность — количество линий ввода/вывода, которые 
имеют микросхемы оперативной и постоянной памяти 
или внешние накопители.⁵

     Внешняя память - предназначена для долговременного хранения информации и характеризуется большим объёмом памяти и низким по сравнению с ОЗУ быстродействием.

     Под внешней памятью компьютера подразумевают обычно как устройства для чтения/записи информации — накопители, так и устройства, где непосредственно хранится информация — носители информации.

     Как правило, для каждого носителя информации существует свой накопитель.

     В персональных компьютерах к подобным устройствам относятся:

     - накопители на гибких магнитных дисках, предназначенные для чтения/записи информации на гибкие диски (дискеты);

     -  накопители на жёстких магнитных дисках, или винчестеры;

     -  дисководы для работы с лазерными компакт-дисками;

     - стримеры, предназначенные для чтения/записи информации на магнитные ленты;

     - магнито-оптические дисководы для работы с магнито-оптическими дисками.

     Дополнительной  характеристикой для этого вида памяти является время доступа, измеряемое в наносекундах.

     3.4 Устройства ввода информации.

     1. Клавиатура - предназначена для ввода алфавитно-цифровых символов и управление курсором.

     Курсор  - специальный значок на экране дисплея (чёрточка, стрелка, подсвеченный прямоугольник, крестик и пр.), который отмечает место, где появится символ, введённый с клавиатуры, или обозначение команды (программы, документа), которую надо выполнить.

     Основные  пользовательские характеристики:

     - (количество нажатий каждой клавиши до ее отказа,

     - дизайн и удобство в работе (эргономичность).

     2. Манипулятор мышь.

     Назначение: управление курсором (указателем) мыши, ввод управляющей информации.⁶

     С появлением графических оболочек мышь стала необходимой для эффективной работы на компьютере.

     Мыши  бывают одно-, двух-, трёхкнопочные. Они могут соединяться с компьютером проводом или при помощи радиопередатчиков (беспроводные). Существуют оптические мыши без шарика, оснащённые фотоэлементами, и оптомеханические мыши. Разновидностью мыши можно считать трэкбол (trackball), который можно сравнить с мышью, которая лежит на спине шарообразным брюшком вверх.

     Основные  пользовательские характеристики:

     - количество нажатий кнопки до её отказа;

     - реакция на движение руки или баллистический эффект;

     - разрешающий шаг (разрешение);

     - дизайн и удобство в работе (эргономичность).

     3. Сканер - устройство для перевода графической информации в цифровую. Функция сканера — получение электронной копии документа, созданного на бумаге.

     Ввод  данных в компьютер — это одна из самых утомительных и подверженных ошибкам операций, сканеры облегчают эту работу.

     Принцип работы. Лампа освещает сканируемый  текст, отражённые лучи попадают на фотоэлемент, состоящий из множества светочувствительных ячеек. Каждая из них под действием света приобретает электрический заряд. Аналого-цифровой преобразователь ставит в соответствие каждой ячейке числовое значение, и эти данные передаются в компьютер.

     Сканеры бывают ручные, портативно-страничные, планшетно-офисные, сетевые (скоростные), широкоформатные; они могут быть чёрно-белые (до 64 оттенков серого) и цветные (256-16 млн цветов).

     Ручные  сканеры внешне напоминают «мышь» большого размера, которую пользователь двигает по сканируемому изображению. Однако ручное перемещение устройства ио бумаге, небольшой размер охватываемой области сканирования не обеспечивают достаточной скорости и требуют тщательной состыковки отдельных участков изображения.

     К настольным сканерам относятся планшетные, роликовые (портативно-страничные), барабанные и проекционные сканеры.

     Основной  отличительный признак планшетного сканера - сканирующая головка перемещается относительно неподвижной бумаги. Они просты и удобны в эксплуатации, позволяют сканировать изображения как с отдельных листов, так и с книг, журналов.

     У портативно-страничных сканеров бумага перемещается относительно сканирующей головки. Они довольно компактны, но отсканировать с их помощью рисунок из книги вряд ли получится. Этот тип сканеров используется для ввода страниц документов форматом от визитной карточки до А4, система автоматической подачи бумаги обеспечивает равномерное сканирование по всей ширине листа.

     Основные  пользовательские характеристики:

- разрешающая способность (оптическое разрешение), то есть количество распознаваемых точек (пикселей) на дюйм (измеряется в ppi — pixels per inch);

- скорость сканирования – показатель быстродействия, который равен времени, затрачиваемому на обработку одной строки изображения;

- размеры  сканируемого листа (область сканирования);

     - разрядность битового представления - определяет максимальное число цветов или оттенков серого, которые может воспринимать сканер.

     4. Кроме того, к устройствам ввода информации относятся:

     - джойстик - предназначен для ввода управляющей информации, чаще всего применяется в области компьютерных игр;⁷

     - световое перо — предназначено для ввода управляющей (совместно с дисплеем) или графической (совместно с дигитайзером) информации;

     - дигитайзер (со световым пером) - устройство для профессиональных графических работ, преобразует в векторный формат изображение, полученное в результате передвижения руки оператора;

     - устройство речевого ввода — микрофон с подключением к аналого-цифровому преобразователю;

     - цифровые видеокамеры и др.

     3. 5 Устройства вывода информации.

     1. Дисплей, монитор. (англ. display - показывать) относится к основным устройствам любого ПК, без которого невозможна эффективная работа. Можно, конечно, выводить всю необходимую пользователю информацию о работе и состоянии системы на печатающее устройство, но это длительный и не очень наглядный процесс. Наиболее важная отличительная особенность современных компьютеров заключается в возможности почти мгновенного взаимодействия (работа в режиме реального времени) между системой и пользователем. В большинстве систем это взаимодействие осуществляется при помощи клавиатуры (и/или манипуляторов) и экрана дисплея. В процессе работы на экране дисплея отображаются как вводимые пользователем команды и данные, так и реакция системы на них.

     Мониторы  по физическим принципам формирования изображения делятся на:

     - мониторы на базе электронно-лучевой трубки. Они работают подобно бытовому телевизору: под воздействием электрических полей в «электронной пушке» разгоняется поток электронов. Далее при помощи геомагнитных полей пучок отклоняется в нужную сторону. Затем, проходя через апертурную решётку, этот поток  фокусируется, доходит до экрана и заставляет светиться маленькое пятнышко люминофора (зерно экрана) с яркостью, пропорциональной интенсивности пучка. Эти мониторы имеют высокое качество изображения, достаточно дёшевы и надёжны. но достаточно громоздки, потребляют много энергии, имеют более высокий уровень излучения, чем дисплеи других типов.

     - жидкокристаллические мониторы. Их действие основано на эффекте потери жидкими кристаллами своей прозрачности при пропускании через них электрического тока. Жидкокристаллические дисплеи не создают вредного для здоровья пользователя излучения, наиболее экономичны в потреблении энергии.

     -газо -  плазменные мониторы - их действие основано на свечении газа при пропускании через него электрического тока. Эти дисплеи применяются в основном в специализированных ЭВМ для отображения символов.

     - светодиоидные матрицы обычно применяются во встроенных ЭВМ (используемых в автоматизированных. линиях на промышленном производстве, в робототехнике и так далее) для отображения небольших объёмов текстовой информации.

     Основные  пользовательские характеристики:

- Размер экрана по диагонали. Измеряется в дюймах. Имеются 14", 15", 17", 21" и др. мониторы.

- Размер  зерна экрана - расстояние в миллиметрах между двумя соседними люминофорами одного цвета. Меньший размер зерна соответствует более резкой и контрастной картинке, создавая общее впечатление чистоты цвета и чёткого контура изображения. У мониторов разного типа размер зерна экрана может находиться в пределах от 0,18 до 0,50 мм. Наиболее оптимальными для восприятия считаются мониторы с зерном экрана от 0,24 до 0,28 мм.⁸

- Разрешающая  способность - число пикселей (точек экрана) по горизонтали и вертикали. Эта характеристика определяет контрастность изображения. Она зависит от размера экрана и размера зерна экрана, но может изменяться (в определённых пределах) с помощью программной настройки

     2. Принтер - печатающее устройство для получения «твёрдой» копии документа.

     Современные принтеры позволяют печатать на различной бумаге, на конвертах, специальных этикетках и ярлыках, особой полиграфической плёнке, ткани. Печать может быть как однотонной, так и цветной.

     Все печатающие устройства подразделяются по принципу работы на ударные, игольчатые (ударно-матричные), струйные, лазерные, термографические.

     В построчных принтерах на печатающей планке формируется сразу вся строка. Каждый символ строки выбирается из готовых литер, которые запрессованы или отлиты на специальных пластинках (как в пишущих машинках).

     В точечно-матричных устройствах печать осуществляется при помощи особой печатающей головки, которая имеет либо несколько игл (обычно 9 или 24) либо сопла для чернил. Головка передвигается горизонтально над бумагой и отдельные иглы или сопла, подчиняясь командам компьютера, наносят на поверхность листа краску (либо ударяя по носителю через красящую ленту, либо «выстреливая» из сопла капельку чернил).

     К страничным устройствам печати относятся  в основном лазерные принтеры. Сначала  они формируют образ полной страницы в своей памяти (именно поэтому им нужно так много памяти: от 0,5 Мб до десятков мегабайтов при цветной печати).

     Изображение в лазерном принтере создается лазерным лучом на светочувствительном барабане внутри принтера. Там, где луч засвечивает поверхность барабана, возникает сильный электрический разряд и в результате электростатического взаимодействия в это место притягиваются пылинки сухой краски — тонера. При прокатывании листа бумаги вдоль барабана рисунок переносится на бумагу, а затем фиксируется за счёт нагрева или давления. В некоторых моделях принтеров вместо лазера с успехом используются светодиоды, однако все принтеры, устроенные по такому принципу принято называть лазерными

     Основные  пользовательские характеристики:

     - Разрешающая способность – число точек на дюйм (измеряется в dpi) или, для игольчатых принтеров, число символов на дюйм (cpi). Например, разрешение 600 dpi означает, что точка может быть помещена в любую из 600 позиций в пределах одного дюйма. При этом нельзя забывать, что разрешение зависит от качества бумаги;

     - Скорость печати определяется двумя факторами - временем механической протяжки бумаги и скоростью обработки поступающих данных. Для матричных и струйных принтеров измеряется в знаках в секунду - cps (characters per second), для струйных и лазерных - в страницах в минуту;

     - Объём памяти. Принтеры, как правило, оборудованы процессором и внутренней памятью (буфером), которые принимают и обрабатывают данные. Действует правило: чем больше памяти, тем лучше;

     - Сроки службы печатающей головки, картриджа, барабана определяются в документации к конкретной модели принтера.

     3. Плоттер или графопостроитель является устройством вывода, которое применяется только в специальных областях. Он предназначен для вывода таких графических материалов, как чертежи, графики, схемы, диаграммы, входящие в комплект конструкторской или технологической документации.

     Принцип работы: пишущий узел имеет несколько штифтов для закрепления специальных фломастеров. Штифты могут подниматься над бумагой (линия не рисуется) или опускаться для рисования. Узел перемещается вдоль бумаги по специальным направляющим

     Основные  пользовательские характеристики:

- максимальный размер изображения;

- допустимые типы и ширина линий (сплошные, штрих-пунктирные и пр.);

- набор используемых шрифтов;

- скорость рисования.

     4. Акустическая система (АС).- преобразует электрический сигнал в акустические колебания - звук.

     Состоит, как правило, из нескольких звуковых колонок, каждая из которых может иметь один или несколько динамиков. Стереофоническая АС должна включать не менее двух колонок.

     Основные  пользовательские характеристики:

-  количество колонок и динамиков;

- выходная мощность - зависит от технических характеристик усилителя и динамиков. Для индивидуального прослушивания достаточно мощности 10 Вт, для обеспечения хорошей слышимости на лекциях или презентациях для большой аудитории мощность может приближаться к 30 Вт на канал;