Основы устройства персонального компьютера

     Московский  Институт Бухгалтерского учета и Аудита 
 
 
 
 
 
 

     Реферат 

     Информатика 

     Тема: Основы устройства персонального компьютера 
 

     Касеро-Коваль Натальи Валентиновны

     Студентки группы 3ФШ-721-3(С)

     Лектор: Андреев Сергей Валерьевич

      Принципы устройства компьютера 

     Среди пользователей сложилось два  подхода к проблеме изучения устройства компьютера. Существует большое количество людей, которым принципиально всё  равно, как работает компьютер. В  основу своего взаимодействия с ним они кладут советы грамотных коллег и хорошую память. В этом случае запоминают только алгоритм действий, позволяющих решить ту или иную задачу помощью компьютера. Такой подход оправдывает себя, когда для решения профессиональных задач пользователь использует компьютер от случая к случаю, выполняя ограниченный набор действий. Несовершенство этого подхода проявляется в нештатных ситуациях, когда необходимо предпринимать не стандартные действия.

     Особенности второго подхода сформулировал  автор ряда программ и работ в области прикладной информатики Питер Нортон: «Знать, как он работает, не менее важно, чем уметь работать с ПК. Вы можете вполне успешно пользоваться услугами компьютера, не понимая того, что в нем происходит. Однако чем глубже вы представляете процессы, происходящие в ПК, тем лучше будете использовать его возможности… Если что-нибудь случится в процессе работы с компьютером, вероятность того, что вы примете правильное решение, а не наделаете глупостей и не испортите всё окончательно, будет выше» [7]. Представляется, что такая точка зрения в большей степени соответствует требованием квалификационной характеристики специалиста с высшим образованием.

     Классификация ЭВМ

     Электронно-вычислительные машины могут быть классифицированы по многим признакам. Для нашего курса наибольший интерес представляет классификация по времени создания и значению[8].

     Классификация ЭВМ по времени  создания (поколения ЭВМ)

     С момента появления электронно-вычислительных машин прошло около шести лет. Однако за этот сравнительно небольшой  отрезок времени сменилось уже четыре поколения ЭВМ. В основе существующего деления на поколения лежит элементная база, на которой строятся ЭВМ (Таблица 1). Более подробно о смене поколений ЭВМ можно прочитать в любом учебнике информатики, например, в книге [13] под поколением будем понимать серию ЭВМ, качественно отличающихся от предыдущих. Смена поколений ЭВМ связана с переходом на новую элементную базу, что приводит к существенному улучшению основных характеристик ЭВМ. В свою очередь, вследствие этого появится возможность использование более совершенного программного обеспечения, возникают новые области применения ЭВМ и новые информационные технологии.  

     Таблица 1 Поколения ЭВМ

     Вместе  с развитием вычислительной техники  совершенствуются способы общения  человека с машиной и создаются  новые устройства ввода и вывода данных, обеспечивающие более комфортные условия этого общения. Происходит постепенная замена языка машины (двоичные коды) на всё более близкие человеку формы обмена информацией. ЭВМ становится более дружелюбной, а требования к уровню подготовки пользователя снижаются.

     Чтобы показать огромную скорость развития в производстве вычислительной технике, обычно приводится масса разнообразных сравнений и фактов. Например, в 1993 г. мощность первых процессоров Pentium превышала вычислительные возможности NASA на момент высадки космонавтов на Луну [7].

     Классификация ЭВМ по назначению

     Назначение  ЭВМ стало одним из первых классификационных признаков [8]. В соответствии с ним различают большие ЭВМ, микроЭВМ и персональные компьютеры.

     Большие ЭВМ – это мощные компьютеры, которые применяются для обслуживания очень крупных организаций и даже целых отраслей народного хозяйства. За рубежом компьютеры этого класса называют мейнфреймами (mainframe). В России за ними закрепился термин большие ЭВМ. Штат обслуживания суперкомпьютеров создают вычислительные центры, включающие в себя несколько отделов или групп.

     Мини-ЭВМ отличаются от больших ЭВМ уменьшенными размерами и, соответственно, меньшей производительностью и стоимостью. Такие компьютеры используются крупными предприятиями, научными учреждениями и некоторыми высшими учебными заведениями, сочетающими учебную деятельность с научной. Мини-ЭВМ может сочетать управление производством с другими задачами. Например, он может помогать экономистам в осуществлении контроля себестоимости продукции, нормировщикам – в оптимизации времени экономических операций, конструкторам - в автоматизации проектирования станочных приспособлений, бухгалтерии – в осуществлении учета первичных документов и подготовки регулярных отчетов для налоговых органов. Для организации работы с Мини-ЭВМ тоже требуется специальный вычислительный центр, хотя и не такой многочисленный, как для больших ЭВМ.

     МикроЭВМ  доступны многим предприятиям. Организации, использующие микроЭВМ, обычно не создают вычислительные центры. Для обслуживания такого компьютера достаточно небольшой вычислительной лаборатории в составе нескольких человек. Не смотря на относительно невысокую производительность по сравнению с большими ЭВМ, микроЭВМ находят применение и в крупных вычислительных центрах. Там им поручают вспомогательные операции, для которых нет смысла использовать дорогие суперкомпьютеры. К таким задачам, например, относится предварительная подготовка данных.

     Персональные  компьютеры (ПК) получили широкое распространение в течение последних двадцати лет. Из названия видно, что такой компьютер предназначен для обслуживания одного пользователя. Не смотря на свои небольшие размеры и относительно невысокую стоимость, современные персональные компьютеры обладают немалой производительностью. Многие современные персональные модели превосходят большие ЭВМ 70-х годов, мини-ЭВМ 80-х годов и микро-ЭВМ первой половины 90-х годов. Персональный компьютер (Personal Computer, PC) вполне способен удовлетворить большинство потребностей малых предприятий и отдельных лиц.

     Особенно  широкую популярность персональные компьютеры получили после 1995 г. в связи с бурным развитием Интернет. Персонального компьютера вполне достаточно для использования всемирной сети в качестве источника научной, справочной, учебной, культурной и развлекательной информации. Персональные компьютеры также удобным средством автоматизации учебного процесса по любым дисциплинам, средством организации дистанционного (заочного) обучения и средством организации досуга. Они вносят большой вклад не только в производственные, но и в социальные отношения. Их нередко используют для организации надомной трудовой деятельности, что особенно важно в условиях безработицы.

     В свою очередь, по размерам и функциональным возможностям большие ЭВМ, мини-ЭВМ, микроЭВМ и персональные компьютеры подразделяют на массовые, деловые, портативные, развлекательные и рабочие станции [8]. Начиная с 1999 г., в области персональных компьютеров действует международный сертификационный стандарт – спецификация PC99, - устанавливающий следующие категории персональных компьютеров:

• Consumes PC (массовый ПК);
• Office PC (деловой ПК);
• Mobile PC (портативный ПК);
• Workstation PC (рабочая станция)
• Entertainment PC (развлекательный ПК).

     В соответствии с данной спецификацией  значительная часть ПК, выпускающихся  серийно, относится к числу массовых и позволяет решать широкий круг задач. Деловые компьютеры предназначены для использования в учреждении. Поэтому для них минимизированы требования к средствам воспроизведения графики и не регламентированы требования по работе со звуковыми данными. Цель создания портативного ПК заключалась в обеспечении пользователя информационными технологиями не только стационарно оборудованном рабочем месте, но и вне его. Поэтому ПК, относящиеся к данной категории, обязательно должны иметь в своем составе средства компьютерной связи. Рабочие станции создаются для работы в сети, построенной в соответствии с архитектурой «клиент – сервер». Поэтому они должны отвечать повышенным требованием к средствам хранения данных. Развлекательные ПК оборудуются мощными средствами воспроизведения графики и звука.

     Другие  принципы классификации  ЭВМ

     На практике используются и другие принципы классификации ПК. Например, по уровню специализации. При использовании этого показателя компьютеры делят на универсальные и специализированные. Универсальные ПК предназначаются для многоцелевого использования, а специализированные – для решения конкретных задач.

     Иногда  можно столкнуться с классификацией персональных компьютеров по типоразмерам. Так, различаются настольные (desktop), портативные (notebook) и карманные (palmtop) модели.

     Особого упоминания заслуживает принцип классификации по совместимости. Это объясняется тем, что компьютеры выпускаются разными производителями, собираются из разных деталей, работают с разными программами. При этом очень важным вопросом становится совместимость различных компьютеров между собой. От совместимости зависит взаимозаменяемость узлов и приборов, предназначенных для разных компьютеров, возможность переноса программ с одного компьютера на другой и возможность совместной работы разных типов компьютеров с одними и теми же данными. Различаются несколько видов совместимости, из которых для обычного пользователя наиболее существенное значение имеет аппаратная совместимость. По этому признаку различают так называемые аппаратные платформы. Наиболее широкое распространение в наши дни получили две аппаратные платформы – IBM PC и Apple Macintosh.

     Принципы  «фон Неймана»

     Несмотря  на стремительные темпы развития вычислительной техники, фундаментальные  принципы построения ЭВМ практически  не изменились. Базовые идеи построения вычислительных устройств были сформулированы известным математиком Джоном фон Нейманом с группой соавторов в 1946г. и получили название «принципов фон Неймана». Сущность этих принципов:

• использование двоичной системы для представления чисел. В работе фон Неймана были убедительно продемонстрированы преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простота выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации: текстовую, графическую, звуковую и др. Но по-прежнему двоичное кодирование данных составляет информационную основу любого современного компьютера;
• принцип «хранимой программы». Согласно этому принципу программа, записанная с помощью двоичных кодов, должна храниться в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею данные;
• принцип адресности. Команды и данные помещаются в ячейки памяти, доступ к которым осуществляется по адресу. Адресом ячейки фактически является её номер; таким образом, местонахождение информации в ОЗУ также кодируется в виде двоичных чисел.

     В ЭВМ, построенной по принципам фон  Неймана, происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, формируется и хранится в специальном устройстве - счетчики команд.

     Фон Нейман с соавторами не только выдвинули  основополагающие принципы логического  устройства ЭВМ, но и предложили её структуру, которая полностью воспроизводилась в течение первых двух поколений  ЭВМ. Схема устройства такой ЭВМ представлена на Рисунок 1.

     В соответствии с принципами фон Неймана  компьютер должен иметь в своем  составе следующие устройства:

• арифметико-логическое устройство (АЛУ) – предназначено для обработки закодированной информации и может выполнять арифметические и логические операции;
• устройство управления (УУ) – назначение данного устройства состоит в организации процесса выполнения программ;
• память или запоминающее устройство (ЗУ) – служат для хранения программ и данных. Память компьютера должна состоять из некоторого количества пронумерованных ячеек. В каждой из них могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легко доступны для других устройств компьютера;
• внешние устройства – устройство ввода и устройство вывода - выполняют задачи по вводу и выводу данных, т.е. обеспечивают прямую и обратную связь пользователя с компьютером.

     Обработка информации в таком компьютере предписывается алгоритмом и сводится к последовательному выполнению команд в порядке, однозначно определяемом программой. На Рисунок 1. сплошными линиями показано прохождение команд, а пунктирными – данных. 

     Рисунок 1 Схема ЭВМ 

     Следует отметить, что благодаря разработке и внедрению больших интегральных схем стало возможным объединение  устройства управления и АЛУ в  одно, называемое центральным процессором, который определяет действия, подлежащие выполнению, путем считывания команд из оперативной памяти.

     Но  несмотря на это, в основе работы современных  ЭВМ лежать принципы, сформулированные больше полувека тому назад. Однако прогресс в области разработки и создании элементной базы привел к совершенствованию архитектуры компьютеров. В настоящее время термин «архитектура ЭВМ» используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных логических узлов ЭВМ.

     Принцип открытой архитектуры

     Значительные  успехи в миниатюризации электронных схем создали предпосылки для заметного роста быстродействия процессора.

     Возникло  существенное противоречие между высокой  скоростью обработки информации внутри машины и медленной работой  устройств ввода-вывода, в большинстве своем содержащих механические движущиеся части.

     Если  бы процессор обеспечивал взаимодействие устройств компьютера, как описано  выше, то значительную часть времени  он был бы вынужден простаивать в  ожидании информации от внешних устройств, что существенно снижало бы эффективность работы всей ЭВМ в целом.

     Решением  этой проблемы было освобождение центрального процессора от функций обмена информацией и к передачи их специальным электронным схемам управления работы внешних устройств. Такие схемы получили названия контролер внешнего устройства. Наличие интеллектуальных контроллеров внешних устройств стало важной отличительной чертой машин третьего и в дальнейшем четвёртого поколений.

     Контролер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой  соответствующего внешнего устройства по специальным встроенным программам.

     Применение  контроллеров позволило использовать для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ принципиально новое устройство – общую шину (часто её называют магистралью).

     Шина  состоит из трёх частей: шина данных, по которой передается информация; шина адреса, определяющая, куда именно передаются данные; шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.

     Наличие магистрали позволяет изменить организацию  обмена информацией между ОЗУ и внешним устройством. С этой целью центральный процессор выдает контроллеру задание на осуществление этого обмена, а последний создает канал для этого.

     Дальнейшая  передача информации протекает под управлением контроллера без использования аппаратно-программных средств центрального процессора.

     Это создает возможность центральному процессору продолжать выполнение программы. Схема устройства компьютера в этом случае приобретает вид, представленный на Рисунок 2. 

     Рисунок 2 Схема ЭВМ с использованием магистрали 

     Компьютер, созданный по такой схеме, легко  пополнять новыми устройствами.

     Данное  свойство называют открытостью архитектуры. Для пользователя открытая архитектура означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств для своего компьютера, т.е. конфигурировать его в зависимости от круга решаемых задач.

     Принцип построения ЭВМ, в соответствии которым  обмен информацией между устройствами организуется с помощью магистрали, получил название магистрально-модульного или принципа открытой архитектуры.

     Этот  термин означает, что модульный принцип  позволяет потребителю самому комплектовать  нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости её модернизацию. При этом модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между модулями. 

     Аппаратная  реализация персонального  компьютера 

     Основные  устройства персонального  компьютера

     Основными особенностями современного компьютера являются объединение АЛУ и УУ в одном устройстве – процессоре, и разделение памяти на внутреннюю и внешнюю. Рассмотрим эти особенности.

     Процессор

     Процессор – устройство, предназначенное для обработки информации и управления этим процессом. Представление о составе организации процессора дает Рисунок 3. Его основу составляют регистры – быстродействующие устройства, предназначенные для хранения и обработки информации (команд и данных). 

     Рисунок 3 Схема устройства процессора 

     Процессор состоит из арифметико-логического  устройства (АЛУ), устройства управления (УУ) и нескольких ячеек внутренней памяти – регистров. В регистрах  хранятся команды, данные и адреса. АЛУ выполняет числовые логические операции с данными соответствии с кодом команды, хранящемся в регистре команд (сложение, сравнение, простые логические операции – И, ИЛИ, НЕ, операции сдвига, арифметического, логического или циклического сложения и т.п.). УУ с помощью набора управляющих сигналов организует согласованную работу всех блоков процессора и управляет как передачей адресов, команд и данных в процессоре по внутренней шине, так и взаимодействием процессора с внешними устройствами.

     Главными  характеристиками процессора являются его быстродействие – число выполняемых операций в единицу времени и разрядность – объем информации, которую процессор обрабатывает за одну операцию. Быстродействие современных процессоров превышает 1ГГц (109 Герц). Под разрядностью процессора принято понимать количество двоичных разрядов в его регистрах. Разрядность наиболее распространенных современных моделей составляет 32.

     Память

     Необходимость разделения памяти на внутреннюю и  внешнюю вызвано тем, что ЭВМ  не может непрерывно работать в течение неопределённо длительного периода времени. Действительно, в случае необходимости устранения неисправности или профилактического обслуживания питание компьютера необходимо отключить. Следовательно, возникает проблема сохранения программ и данных, находящихся в памяти компьютера.

     В современных компьютерах различают  два вида памяти:

     Внутренняя  память – электронная (полупроводниковая) память, которая размещается на системной плате или на платах расширения.

     Внешняя память – память, реализованная в виде устройств с различными принципами хранения информации и обычно с подвижными носителями. В настоящее время сюда входят устройства магнитной (дисковой ленточной) памяти, оптической и магнитооптической памяти. Устройства внешней памяти могут размещаться как в системном блоке компьютера, так и в отдельных корпусах.

     Основным  назначением внутренней памяти является совместное хранение данных и программ их обработки в процессе преобразования этих данных. Внешняя же память предназначена для длительного хранения информации, когда те или иные данные или программы не используются или же компьютер выключен.

     Внутренняя  память. Внутренняя память имеет в своем составе несколько устройств. Основным является оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Соответствующий по смыслу английский термин, который часто встречается в технической литературе, - RAM (Random Access Memory), т.е. память с произвольным (случайным) доступом. Такой доступ подразумевает возможность получить данные из памяти по любым адресам в любом порядке.

• ОЗУ имеет непосредственную связь с процессором. В нем хранятся программные команды и данные, участвующие в данное время в вычислениях. В него записываются результаты вычислений перед пересылкой их во внешнюю память устройства вывода. Основными особенностями ОЗУ являются:
• возможность считывать и записывать информацию из произвольного места памяти;
• высокая скорость работы, близкая к быстродействию микропроцессора;
• необходимость специальных мер по сохранению информации из ОЗУ после завершения работы (энергозависимость).

     Другим  важным устройством внутренней памяти компьютера является постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Техническое (английское) название этого устройства памяти – ROM (Read Only Memory), т.е. память только для чтения. Информация в это устройство записывается производителем, сохраняется неизменной и постоянно доступна компьютеру, в том числе сразу в момент включения. ПЗУ играет очень важную роль, потому что в нем записана программа начальной загрузки компьютера. Кроме того, в этой же самой микросхеме обычно хранятся минимальные программы работы с клавиатурой и другими устройствами, поэтому её часто называют BIOS – Basic Input Output System/

     В современных компьютерах быстродействие процессора ОЗУ может существенно  отличаться. Поэтому, для повышения производительности системы в качестве буфера между АЛУ и ОЗУ используется сверхоперативное ЗУ (СЗУ) или кэш-память. Название «кэш» происходит от английского слова «cache», которое обозначает тайник. СЗУ невидимо для пользователя и данные, хранящиеся в нём, недоступны для прикладного программного обеспечения.

     Основная  идея работы кэш-памяти заключается  в том, что извлеченные из ОЗУ  данные или команды программы  копируются в СЗУ; одновременно в  специальный каталог адресов, который  находится в той же самой памяти, запоминается, откуда информация была извлечена. Если данные потребуются повторно, то уже не надо будет терять время на обращение к ОЗУ их можно получить из кэш-памяти значительно быстрее.

     В настоящее время кэш-память обычно реализуется по двухуровневой системе. При этом первичный кэш (level 1- уровень 1) встроен непосредственно внутрь процессора, а вторичный (level 2) устанавливается на системной плате. Как и для ОЗУ, увеличение объёма КЭШа повышает эффективность работы компьютера.

     Внешняя память. Основное назначение внешней памяти компьютера заключается в длительном хранении информации (как программ, так и данных). Наличие внешней памяти обеспечивает возможность неоднократного использования информации в течение длительного времени. Информация во внешней памяти хранится в двоичном представлении, что позволяет отрабатывать её без каких бы то ни было дополнительных преобразований. Поскольку скорость записи и считывание информации в устройствах внешней памяти намного ниже быстродействия центральных устройств, поскольку для их подключения к магистрали необходим контроллер. Как правило, в составе компьютера имеются несколько устройств внешней памяти. Для персонального компьютера это главным образом гибкие и жесткие магнитные диски, а также оптические диски.