Структура и устройство компьютера, персональный компьютер и его архитектура

Компьютер (англ. computer — вычислитель) представляет собой программируемое электронное устройство, способное автоматически, автоматизировано обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами. Компьютеры работают с очень высокой скоростью, составляющей миллионы–сотни миллионов операций в секунду.

В качестве примера рассмотрим распространенный тип компьютера – персональный компьютерили микрокомпьютер, работающий в режиме персональных вычислений, когда все ресурсы компьютера (адресуемая память, устройства ввода-вывода, процессорное время, программы и др.) в любой момент времени доступны только одному (персонально) пользователю компьютера.

Персональный компьютер (ПК) должен удовлетворять следующим требованиям:

• относительно невысокая стоимость, малые габариты, малое энергопотребление;

• надежность, высокий уровень интеграции компонентов, оперативность обслуживания, автономная эксплуатация без специальных условий;

• дружественность программного обеспечения непрофессионалу-пользователю, которая максимально упрощает работу с компьютером;

• гибкость и открытость архитектуры, адаптируемость к разнообразным применениям, совместимость многих ПК на аппаратном, программном, информационном, технологическом уровне, возможность коллективного использования периферийного оборудования.

При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру. Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил американский математик Джон фон Нейман (1946г.).

Под архитектурой компьютерапонимается не внешний вид компьютера, его габариты и расположение, а структура и реализация информационных и управляющих связей между основными узлами компьютера:

– памятью (запоминающим устройством, ЗУ), состоящую из перенумерованных ячеек;

– процессором, включающим в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ);

– устройством ввода;

– устройством вывода.

Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация.

Память компьютера можно представить как последовательность ячеек памяти. Количество ячеек памяти определяет объем памяти компьютера. Ячейка памяти – это физическое устройство, в которое можно записать или с которого можно считать последовательность битов. Каждый бит числа в ячейке памяти хранится в нужном разряде. Число разрядов ячейки памяти называется ее разрядностью. Часто она равна 32 или 64 бит. Каждая ячейка памяти компьютера имеет свой определенный номер, который называется адресом этой ячейки памяти.

Для представления чисел в памяти компьютера используются два формата: формат с фиксированной точкой и формат с плавающей точкой. В формате с фиксированной точкой представляются только целые числа, в формате с плавающей точкой – вещественные числа (целые и дробные).

Пример. Внутреннее представление целого десятичного числа 27 (в двоичной системе – 11011) в одно байтовой ячейке будет следующим:

Для записи внутреннего представления целого отрицательного числа -27 необходимо:

1) получить внутреннее представление положительного числа;

2) получить обратный код этого числа заменой 0 на 1 и 1 на 0;

3) к полученному числу прибавить 1.

В результате получим:

Данная форма представления целого отрицательного числа называется дополнительным кодом. Использование дополнительного кода позволяет заменить операцию вычитания на операцию сложения уменьшаемого числа с дополнительным кодом вычитаемого.

Вещественные числа в компьютерах различных типов записываются по-разному, тем не менее, все компьютеры поддерживают несколько международных стандартных форматов, различающихся по точности, но имеющих одинаковую структуру.

Пример. Рассмотрим внутреннее представление вещественного числа 21,75 в формате с плавающей запятой в ячейке памяти разрядности 16 (4-х байтовой ячейке памяти). Ячейку памяти изобразим виде ленты, где будет содержаться следующая информация о числе: нулевой разряд – знак числа, первый разряд – знак порядка, 2-12 разряды – мантисса, 13-15 разряды – порядок. Напомним, что представление вещественного числа N в виде произведения мантиссы m на основание системы счисления q в некоторой целой степени p, которую называют порядком: N=m*q^p, где 0.1_p < m < 1_p.

Переведем заданное число в двоичную систему счисления: 21,75₁₀ =10101,11_2. Запишем в форме нормализованного двоичного числа с плавающей точкой: 0,1010111*10¹⁰¹. Здесь мантисса, основание системы счисления (2 = 10₂) и порядок (5₁₀ = 101₂) записаны в двоичной системе. В результате представление числа в 4-х байтовой ячейке памяти с учетом знака числа будет следующим:

Команда программы хранится в памяти так же, как и числа – данные к программе, результаты и промежуточные значения – как комбинация битов.

Элементы ЗУ реализуются технически с помощью устройств обладающих магнитными, электрическими, оптическими, биологическими свойствами и называемых, соответственно, магнитными чипами, электрическими чипами, оптическими чипами, биологическими чипами или триггерами.

Различают два основных вида памяти – внутреннюю и внешнюю. В состав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-память и специальная память.

Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory – память с произвольным доступом) – это быстрое запоминающее устройство не очень большого объёма, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами.

Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, так как, когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой — это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.

Обычно ОЗУ исполняется из интегральных микросхем памяти SDRAM (синхронное динамическое ОЗУ).

Кэш (англ. cache), или сверхоперативная память — очень быстрое ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью.

К устройствам специальной памяти относятся постоянная память (ROM), перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory), память CMOS RAM, питаемая от батарейки, видеопамять и некоторые другие виды памяти.

Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory – память только для чтения) – энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом «зашивается» в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать. Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) – энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого с дискеты.

Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.

Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти – модуль BIOS. BIOS (Basic Input/Output System – базовая система ввода-вывода) – совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память.

Внешняя памятьобладает большей емкостью, но с меньшим, по сравнению с оперативной памятью, быстродействием (больше времени тратится на запись или считывание информации). Она обеспечивает долговременное хранение программ и данных. Главное отличие внешней памяти от оперативной в том, что в компьютере имеется непосредственно или аппаратно реализованный доступ только к ячейкам оперативной памяти. Для использования информации, хранящейся во внешней памяти, нужно ее копию переслать в оперативную память.

Внешняя память реализуется с помощью внешних носителей информации: магнитных, оптических дисков (гибких дискет, жестких – винчестеров).

Таким образом, функции памяти это:

– приём информации из других устройств;

– запоминание информации;

– выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические, логические операции. Команды этого устройства состоят из элементарных (базовых) арифметических и логических операций: «сравнить два числа», «переслать число», «взять дизъюнкцию» и др.

Устройство управления (УУ) организует работу ЭВМ, в частности.

– извлекает очередную команду (т.е. машинное слово) из ячейки (ячеек) ЗУ, расшифровывает команду и приводит в состояние готовности АЛУ;

– выбирает из ЗУ операнды к дешифрованной команде и передает их АЛУ для операций:

– пересылает результат выполнения операции из сумматора в ЗУ;

– реагирует на нормальный или аварийный ход выполнения операции.

Совокупность АЛУ и УУ, объединенные информационными и управляющими шинами называется процессором компьютера.

В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами. Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Основным элементом регистра является электронная схема – триггер. Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления.

Современные процессоры выполняются на базе микропроцессоров.

Таким образом, функции процессора это:

– выполнение арифметических и логических операций над информацией;

– программное управление работой всех остальных устройств компьютера

Обмен информацией пользователя с компьютером выполняется с помощью устройства ввода и устройства вывода, после указания:

– типа устройства ввода-вывода (диск, принтер, клавиатура и др.);

– атрибутов передаваемой или перемещаемой информации (имя, размер, его местонахождение, размеры и тип файла с информацией и др.);

– режима работы устройства (режима обмена);

– программы обслуживания устройства ввода-вывода (драйверов).

Основу компьютеров образует техническое обеспечение (ТО или hardware, тяжелое обеспечение), представляющую собой совокупность технических средств и построенная, в основном, с использованием электронных и электромеханических элементов и устройств. Без ТО никакая программа не сможет реализоваться.

Для обработки данных на компьютере необходимо иметь не только аппаратное обеспечение компьютера, но и программное обеспечение (ПО или software, гибкое обеспечение), - совокупность программ ЭВМ, языков и трансляторов общения с ЭВМ.

Вычислительной системой(ВС) называется совокупность программного обеспечения и технического обеспечения.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие характеристики позволяют отнести компьютер к категории «персональный»?

2.Что понимается под архитектурой ЭВМ?

3. Что такое АУ, УУ, процессор? Перечислить их основные функции и устройства ЭВМ, с которыми они взаимодействуют.

4. Как устроена память ЭВМ?

Дата добавления: 2014-11-24; просмотров: 692; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!