Інформатика І

Сукупна довжина двійкових кодів, якими подається інформація, визначає її обсяг. Цей обсяг застосовується в комп'ютерних системах як показник кількості інформації. Отже, біт і байт виконують ще одну роль — роль одиниць вимірювання кількості інформації.

Наприклад, якщо комп’ютер на ваш запит про погоду на завтра надіслав повідомлення: «Завтра очікується ясна і тепла погода.» або «Завтра очікується землетрус у 8 балів!», то в обох випадках ви отримали 38 байтів, тому що кожний символ, включаючи пропуск, кодується 1 байтом. Проте ця міра не має ніякого відношення до смислу переданої інформації, її значущості і корисності для вас.

З наведеного прикладу зрозуміло, що в байтах, тим більшe і в бітах вимірювати можна тільки зовсім незначні обсяги інформації. На практиці застосовуються більш ємні одиниці вимірювання. Їх наведено у таблиці 1. Число 1024, яке є множником при переході до наступної одиниці вимірювання, дорівнює 2¹⁰.

Загальна схема побудови сучасного комп'ютера була запропонована видатним американським математиком угорського походження Джоном фон Нейманом у червні 1945 року. Відповідно до цієї схеми комп'ютер складається з таких основних частин:

• Арифметико-логічний пристрій, який призначений для виконання арифметичних та логічних операцій;

• Керуючий пристрій, призначений для організації процесу виконання програми;

• Пам'ять для збереження команд та даних;

• Пристрої введення та виведення інформації, призначені для здійснення обміну інформацією між людиною та комп'ютером

З розвитком комп'ютерної техніки арифметико-логічний пристрій та пристрій керування поєднано в один пристрій — центральний процесор (ЦП).

Центральний процесор — це основний пристрій комп'ютера, призначений для безпосереднього виконання дій над інформацією та керування роботою всього комп'ютера.

Пристрої введення та виведення інформації є периферійними пристроями.

Революційність ідеї фон Неймана полягала у тому, щоб зберігати в пам'яті не тільки дані, але й команди для їх обробки.

Рис. 1. Схема будови комп'ютера

Ігровий автомат

Перед гравцем знаходиться екран комп'ютера. Зображення на екран виводиться з пам'яті. Залежно від ситуації на екрані гравець повертає кермо. Поворот керма перетворюється на сигнали, що надходять до ЦП. Відповідно до цих керуючих сигналів ЦП здобуває з пам'яті команди, виконання яких змінює зображення на екрані. Крім того, залежно від ситуації, що склалася на екрані (наприклад, вдалий об'їзд перешкоди), з пам'яті комп'ютера здобувається відповідна кількість очок для підрахунку сумарного результату.

Пам'ять комп'ютера містить зображення дороги та перешкод, що на ній виникають, а також команди, які повинен виконати ЦП, отримавши той чи інший керуючий сигнал (кут повороту та швидкості повороту керма).

ЦП отримує сигнали від керма (пристрою введення), здобувається з пам'яті команди, щоб змінити зображення на екрані, і передає це нове зображення на екран (пристрій виведення). Окрім того, ЦП підраховує сумарну кількість очок, які набирає гравець під час гри, і виводить це число на екран.

Периферійні пристрої:

• пристрій введення — кермо, сигнали від якого надходять до ЦП;

• пристрій виведення — екран, на який виводяться зображення дороги і кількість отриманих очок.

Комп'ютер у торгівлі

Дані штрихового коду товару надходять від скануючого пристрою до пам'яті комп'ютера. За цими даними ЦП здобуває з пам'яті команди пошуку ціни товару і виводить знайдене значення на світлове табло касового апарата. Коли всі товари одного покупця переглянуто, касир натискає клавішу на касовому апараті, сигнал від якої передається до ЦП. За цим сигналом ЦП здобуває з пам'яті і виконує команди підрахунку сумарної вартості покупки та команди керування друкуванням чека, а також команди передачі даних про здійснену покупку до пам'яті комп'ютера.

Пам'ять комп'ютера містить коди товарів, їх ціни і відомості про кількість товарів на складі крамниці, а також команди, які ЦП виконує при пошуку ціни кожного товару, підрахунку вартості покупки, відображенні цін на світловому табло та керуванні друкуванням чека.

ЦП отримує сигнал від сканера про зчитування коду, знаходить ціну товару в пам'яті комп'ютера і виводить її на табло. За сигналом від клавіші ЦП підраховує сумарну вартість покупки, передає друкувальному пристрою команду надрукувати чек і передає дані про здійснену покупку в пам'ять комп'ютера.

Периферійними пристроями тут є:

• пристрої введення — сканер, що зчитує коди товарів, і касовий апарат;

• пристрої виведення — світлове табло, на якому відображуються ціни товарів, і пристрій, що друкує чеки.

В останні десятиріччя відбулися неймовірні зміни як із самими комп'ютерами — їх розміри зменшилися у сотні разів порівняно з розмірами моделей, що існували в 50-ті роки, — так і з програмним забезпеченням, яке тепер дозволяє використовувати комп'ютер у найрізноманітніших сферах людської діяльності. Комп'ютери вільно розміщуються на робочому столі. Для багатьох людей комп'ютер став необхідним робочим інструментом. Виникла назва — персональний комп'ютер (скорочено ПК, або англ. РС — від «Personal Computer»). Перший ПК було випущено в 1975 році американською фірмою МІТS (від англ. «Місro Instrumentation and Telemetry System»). Він називався Альтаїр-8800, мав ЦП Intel-8800, створений фірмою Intel, і обсяг пам'яті 256 байтів.

В усій різноманітності сучасних ПК можна виділити два основних сімейства, які відрізняються своєю архітектурою.

Архітектура — це склад і взаємне поєднання пристроїв апаратної частини комп'ютера.

Сімейство — це комп'ютери, що мають однакову чи подібну архітектуру.

Перше сімейство — це комп'ютери, з визначеною побудовою апаратної частини (архітектурою), схожою на комп'ютери фірми IBM. Оскільки перші комп'ютери такого типу випускалися фірмою ІВМ, комп'ютери цього сімейства називаються ІВМ-сумісними (або ІВМ РС-сумісними).

Рис. 2. Логотип фірми IBM

Друге сімейство — це комп'ютери з архітектурою фірми Епл Макінтош (англ. «Apple Macintosh»), які використовують мікропроцесори спільного виробництва декількох фірм.

Рис. 3. Логотип фірми Apple Macintosh

Сьогодні понад 80% комп'ютерів на світовому ринку становлять ІВМ-сумісні комп'ютери. Надалі ми вивчатимемо комп'ютери цього сімейства.

Розглянемо докладніше апаратну частину комп'ютера. IBM-сумісний комп'ютер складається з двох частин:

• системний блок;

• периферійні пристрої.

Більшість комп'ютерів, що використовуються у побуті, є настільними. В них системний блок і периферійні пристрої є окремими частинами. Існують і портативні комп'ютери, які випускаються у компактному виконанні. У них всі пристрої поєднуються в одну конструкцію.

До системного блоку звичайно входять:

• центральний процесор, призначений для виконання арифметико-логічних операцій та керування роботою комп'ютера;команд. Для позначення центрального процесора інколи використовується скорочення CPU (від англ. «Central Processing Unit» — центральний обробляючий пристрій);

• внутрішня пам'ять комп'ютера, де зберігаються програми та інформація, що опрацьовується;

• шина (магістраль) — провідники, що забезпечують взаємодію всіх пристроїв комп'ютера;

• адаптери — електронні схеми, що забезпечують керування периферійних пристроїв комп'ютера;

• системна плата — головна плата комп'ютера, на якій встановлені процесор, внутрішня пам'ять, магістраль та контролери.

• блок живлення та вентилятори, призначені для подавання струму на плати та охолодження процесора.

Крім того, до системного блоку встановлюють роз'єми для підключення інших пристроїв та нагромаджувачі на магнітних та лазерних дисках.

Основними периферійними пристроями є:

• клавіатура — пристрій ручного введення інформації;

• маніпулятор типу миша (далі просто миша) — пристрій введення, призначений для керування позицією курсора на екрані монітора;

• дисплей (монітор) — необхідний пристрій виведення, призначений для виведення на екран текстової та графічної інформації.

Розглянувши основні, а також найчастіше використовувані пристрої, що складають апаратну частину ІВМ РС-сумісного комп'ютера, можемо надати загальну схему (рис. 4) апаратної частини комп'ютера.

Рис. 4. Загальна схема апаратної частини комп'ютера

Центральний процесор (ЦП) є основою або серцем комп'ютера. Центральним процесором є дуже малий кремнієвий кристал з величезною кількістю (декілька мільйонів) транзисторів, розміщених на ньому.

ЦП через невеликі розміри часто називають чіпом (від англ. «сhip» — мікросхема або «chipset» — набір мікросхем). Назви центральний процесор, мікропроцесор і чіп стали зараз синонімами.

Моделі процесора залежать від виробника. Фірма Intel позначає процесори як 8086, 80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium II, Puntium III, Pentium IV, Сeleron. Кожна наступна модель у цьому списку є досконалішою за попередню. Існують й інші фірми, що випускають процесори, наприклад, AMD Cyrix тощо.

При характеристиці комп'ютера часто зазначають тактову частоту.

Tактовa частотa — кількість електричних імпульсів, що керують роботою ЦП, за одиницю часу. Вона вимірюється у герцах (Гц).

Чим більша тактова частота, тим швидше працює ЦП. Останні моделі комп'ютерів працюють з тактовою частотою 800 МГц, 1700 МГц, 2400 МГц.

Розрядність процесора — це обсяг інформації, який процесор обробляє за одну операцію.

Процес виконання кожної команди складається з послідовного виконання ряду операцій. Спочатку згідно із заданою адресою з пам'яті здобувається двійковий код команди. Потім цей код перетворюється на внутрішній для процесора код — команда дешифрується. І, нарешті, команда виконується. Для виконання багатьох команд додаються дії, пов'язані із зчитуванням даних з пам'яті. Виконання таких команд потребує значної витрати часу, що призводить до ускладнення роботи ЦП, оскільки виникає інтервал у часі, коли ЦП очікує надходження даних. Щоб прискорити роботу ЦП, у сучасних комп'ютерах використовується механізм конвеєризації. Сенс цього механізму полягає в тому, що всі операції, пов'язані з підготовкою команди, виконуються одночасно. Тобто, коли одна команда здобувається з пам'яті, друга в цей час дешифрується, а третя виконується. Одночасно на конвеєрі може знаходитися п'ять або шість команд і кожна на своїй стадії опрацювання. Отже, щойно завершується виконання однієї команди, як починається виконання іншої, що вже здобута з пам'яті і дешифрована. Механізм конвеєризації значно збільшує швидкодію комп'ютера.

До складу центрального процесору входять:

Арифметично-логічний пристрій (скорочено АЛП, або англ. ALU від «Arithmetic and Logic Unit») — це пристрій, який здійснює всі обчислювальні операції — і арифметичні, і логічні.

Керуючий пристрій (скорочено КП, або англ. CU від «Control Unit»). Це координатор усіх дій комп'ютера. Він керує послідовністю виконання команд і рухом (потоками) даних у комп'ютері.

Регістри процесора. Це швидкодоступна для процесора пам'ять. Так само, як і звичайна пам'ять комп'ютера, регістри складаються з комірок — байтів. Проте, на відміну від загальної пам'яті, вона знаходиться всередині ЦП, а це значною мірою скорочує час доступу до неї. Якщо на звертання до звичайної пам'яті комп'ютера витрачається часу не більше 70 нс (нс — скорочення від наносекунди, що становить одну мільярдну долю секунди), то час звертання до регістрів процесора не перевищує 5 нс.

Розрядність регістра — це кількість бітів, що містить у собі регістр.

У перших ПК регістри були 8-розрядні, тобто в кожному регістрі був лише один байт (вісім бітів). Більшість сучасних комп'ютерів мають 32-розрядні (чотирибайтові) регістри. Це стосується всіх моделей, починаючи з 386-го і вище. Зараз дуже рідко зустрічаються комп'ютери з 16-розрядними (двобайтовими) регістрами: це 86-й і 286-й. Регістри процесора — а в сучасних комп'ютерах їх понад 20 — використовують пристрої керування для зберігання різних даних, а саме: адреси команди, що має бути виконана ЦП, адреси даних або самих даних, з якими АЛП виконує дії, а також результатів цих дій і різної інформації про стан комп'ютера.

Чим більша розрядність регістрів процесора, тим більше даних може бути оброблено ЦП одночасно.

Рис. 5. Схема опрацювання даних ЦП

Обмін даними між центральним процесором, пам'яттю і стандартними та додатковими пристроями введення-виведення здійснюється за допомогою спеціального пристрою, що називається шиною.

Системна шина — це пристрій, призначений для обміну інформацією між центральним процесором і іншими пристроями комп'ютера.

Спрощено шину можна уявити собі як набір паралельних проводів, кожний з яких передає один біт інформації — 1 або 0. Кількість проводів у шині — це ширина шини. Саме ширина шини і є тією кількістю бітів (розрядів), яка визначає кількість інформації, що передається одночасно. Чим ширша шина (більша її розрядність), тим більше даних можна передати одночасно, тим швидше працює комп'ютер.

Ширина шини — це кількість бітів інформації, які передаються по ній одночасно.

У системній шині виділяють шину адреси, яка використовується для передачі адреси та шину даних для передачі даних. Певна річ, що процес удосконалення сучасних комп'ютерів включає в себе і перехід до ширших шин.

Сучасні ІВМ-сумісні комп'ютери мають ширину шини адреси 20, 24 або 32 розряди. Комп'ютери з 20-розрядною шиною адреси можуть звертатися (адресувати) до 1 Мбайта (= 2²⁰ байтів) пам'яті (такі комп'ютери тепер зустрічаються щодалі рідше). Комп'ютери з 24-розрядною шиною адреси можуть адресувати вже до 16 Мбайтів (= 2²⁴ байтів) пам'яті, а комп'ютери з 32-розрядною шиною — саме вони становлять більшість комп'ютерів, що використовуються в нашій країні, — можуть адресувати вже до 4 Гбайтів (= 2³² байтів) пам'яті.