Тема 3: Системное обеспечение информационных процессов

Лекция 3.

Аннотация

Классификация и назначение компьютеров. Архитектура ЭВМ. Логическая и структурная схема персонального компьютера. Базовый состав ПК. Стандарты безопасности для мониторов. Периферийные устройства ПК.

3.1. Классификация компьютеров

Компьютер  (англ. Computer — «вычислитель») – это устройство, предназначенное для обработки, хранения и передача информации. Компьютер может обрабатывать только информацию, которая представлена в цифровой форме. Термин «компьютер» является синонимом аббревиатуры «ЭВМ» (электронная вычислительная машина). После появления персональных компьютеров (от англ. реrsonal computer, PC), термин ЭВМ впоследствии был практически вытеснен из употребления и заменен более удобным термином «компьютер».

Существует и другие разные системы классификации ЭВМ:

• По производительности и быстродействию

• - По назначению

• - По уровню специализации

• - По типу использованного процессора

• - По особенностям архитектуры

• - По размерам

Рассмотрим схему классификации ЭВМ, исходя из их вычислительной мощности и габаритов.

Суперкомпьютеры –  это самые мощные по быстродействию и производительности вычислительные машины. К СУПЕРЭВМ относятся “Cray” и “IBM SP2” (США). Используются для решения крупномасштабных вычислительных задач и моделирования, для сложных вычислений в аэродинамике, метеорология, физике высоких энергий, также находит применение и в финансовой сфере.

Большие машины или мэйнфреймы (Mainframe). Мэйнфреймы используются в финансовой сфере, оборонном комплексе, применяются для комплектования ведомственных, территориальных и региональных вычислительных центров.

Средние ЭВМ  широкого назначения используются для управления сложными технологическими производственными процессами.

Мини-ЭВМ  ориентированы на использование как управляющие вычислительные комплексы, как сетевые серверы.

Микро-ЭВМ —  это компьютеры, в которых как центральный процессор используется микропроцессор. К ним относятся встроенные микро – ЭВМ (встроены в разное оборудование, аппаратуру или приборы) и персональные компьютеры PC.

Современные персональные компьютеры имеют практически те же характеристики, что и МИНИ-ЭВМ 80-х годов. На базе этого класса ЭВМ строятся автоматизированные рабочие места (АРМ) для специалистов разного уровня, используются как средство обработки информации в информационных системах.

К персональным компьютерам относятся настольные и переносные ПК. К переносным ЭВМ относятся Notebook (блокнот или записная книжка) и карманные персональные компьютеры (Personal Computers Handheld - Handheld PC, Personal Digital Assistants – PDA и Palmtop).

3.2. Основные компоненты персонального компьютера (пк)

Архитектура ЭВМ включает как структуру, что отображает состав ПК, так и программно–математическое обеспечение. Структура ЭВМ - совокупность элементов и связей между ними. Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. Основы учения об архитектуре вычислительных машин были заложены Джоном фон Нейманом. Совокупность этих принципов породила классическую (фон-неймановскую) архитектуру ЭВМ.

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, представленную на рис. 1.

Рис.1 Логическая схема компьютера

Разнообразие современных компьютеров чрезвычайно большое, однако в общем ее структура базируется на общих логических принципах, которые позволяют выделить в любом компьютере основные устройства.

Положение фон Неймана:

• Компьютер состоит из нескольких основных устройств (запоминающее устройство, процессор, устройство ввода и вывода).

Запоминающее устройство, к функциям которого относятся:

а) прием информации от других устройств;

б) запоминание информации;

в) выдача информации по запросу в другие устройства ПК.

• Данные, которые хранятся в запоминающем устройстве, представленные в двоичной форме

• Программа, которая задает работу компьютера, и данные хранятся в одном и том же запоминающем устройстве

Процессор реализует такие функции:

а) обработки данных с помощью заданной программы путем выполнения арифметических и логических операций.

• Арифметико-логическое устройство – выполняет логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации, которая хранится в памяти;

• б) программного управления работой устройств компьютера:

• Устройство управления – обеспечивает управление и контроль всех устройств компьютера (управляющие сигналы указаны пунктирными стрелками)

• Устройства ввода и вывода для введения и выведения информации.

Перечисленные устройства объединены каналами связи, которыми передается информация.

Один из самых важных принципов – принцип программности – требует, чтобы программа хранилась в память машины так же, как в ней хранится начальная информация.

Арифметико-логическое устройство и устройство управления в современных компьютерах образуют процессор ЭВМ. Процессор, который состоит из одной или нескольких больших интегральных схем называется микропроцессором или микропроцессорным комплектом.

Процессор – функциональная часть ЭВМ, выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Процессор является преобразователем информации, которая поступает из памяти и внешних устройств. Запоминающие устройства обеспечивают хранение начальных и промежуточных данных, результатов вычислений, а также программ. Они включают:

• оперативные (ОЗУ)

• сверхоперативные (СОЗУ)

• постоянные (ПЗУ)

• внешние (ВЗУ) запоминающие устройства.

Оперативные ЗУ хранят информацию, с которой компьютер работает непосредственно сейчас (резидентная часть операционной системы, прикладная программа, обрабатываемые данные). В СОЗУ хранится чаще всего используемые процессором данные. Только та информация, которая хранится в СОЗУ и ОЗУ, непосредственно доступная процессору.

Проанализируем данную логическую схему. Для решения определенной задачи на компьютере составляется программа, которая вместе с данными, которые подлежат обработке, размещается в запоминающем устройстве. После размещения программы происходит ее выполнение: в устройство управления поступают коды операций (что делать), а в арифметико-логическое устройство – данные (с чем работать). Устройство управления образует сигналы, которые поступают на другие устройства, которые обеспечивают выполнение данной операции. Потом с запоминающего устройства выбирается другая команда и организуется ее выполнение. Этот процесс продолжается до окончания всей программы.

Любой компьютер рассматриваются как совокупность его функциональных элементов и взаимосвязей между ними. Структура компьютера графически изображается в виде структурных схем (рис.2), с помощью которых можно предоставить описание компьютера на любом уровне детализации.

Рис.2 Структурная схема ПК

Итак, современный ПК состоит из таких основных конструктивных компонентов:

• системного блока;

• монитора;

• клавиатуры;

• манипуляторов;

• дополнительных устройств (сканер, принтер, Web-камера и тому подобное).

В системном блоке размещаются:

• материнская плата;

• процессор;

• система охлаждения;

• оперативное запоминающее устройство;

• постоянное запоминающее устройство;

• блок питания;

• накопитель на жестких магнитных дисках;

• кадр-ридер;

• платы расширения;

• видео-адаптер;

• звуковая карта;

• накопитель CD-ROM, DVD-ROM, Blu-ray Disc и тому подобное.

Аппаратное обеспечение современных ПК строится на принципе открытой архитектуры, который заключается:

• регламентируется и стандартизируется только описание принципов действия компьютера и его конфигурации. Т.е., компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-производителями;

• компьютер легко расширяется и модернизируется за счет наличия внутренних слотов расширения, которые отвечают определенному стандарту.

Разнообразные устройства компьютера соединены между собой с помощью интерфейса.

Интерфейс – это совокупность средств и правил, которые обеспечивают взаимодействие двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласовываются между собой.

Каждый из функциональных элементов (память, монитор или др. устройства) связан с шиной определенного типа – адресной, управляющей или шиной данных. Для согласования интересов периферийные устройства подключаются к шине не непосредственно, а через свои контролеры (адаптеры) и порты по схеме:

Основные электронные компоненты компьютера, которые определяют архитектуру процессора, размещаются на главной плате, которая называется системной или материнской (англ.—MotherBoard). Контролери и адаптеры дополнительных устройств выполняются в виде плат расширения (англ. – DaughterBoard) и присоединяются к шине с помощью слотов расширения.

Материнская плата является главной в системном блоке и содержит такие компоненты:

• центральный процессор;

• постоянная и оперативная память;

• кэш-память;

• контролеры;

• интерфейсные схемы шин;

• слоты расширения;

• обязательные системные средства ввода-вывода и др.

Системные платы выполняются на основе набора микросхем, которые называются чипсетами (англ. – ChipSets).

В слоты расширения системной платы устанавливаются платы таких периферийных устройств, как модем, сетевая плата, видеоплата и др.

Центральный микропроцессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) – небольшая микросхема, которая выполняет все вычисления и обработку информации) – это ядро ПК. В компьютерах типа IBM PC используются микропроцессоры фирмы Intel и совместимые с ними микропроцессоры других фирм.

Компоненты микропроцессора:

• АЛУ выполняет логические и арифметические операции;

• шина данных и шина адресов;

• Устройство управления - управляет всеми устройствами ПК

• Регистры используются для хранения данных и адресов;

• Счетчики команд;

• Кэш – быструю память малого объема (до 2 Мбайт);

• Математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

• Схема управления шиной и портами – осуществляет подготовку устройств к обмену данными между микропроцессором и портом ввода – вывода, а также управляет шиной адреса и управления.

Основные характеристики процессора:

• Разрядность – число двоичных разрядов, одновременно обрабатываемых при выполнении одной команды. Большинство современных процессоров – это 32–разрядные процессоры, но выпускаются и 64 - разрядные процессоры.

• Тактовая частота – количество циклов работы устройства за единицу времени (МГц). Чем выше тактовая частота, тем выше производительность.

• Наличие встроенного математического сопроцессора

• Наличие и размер Кеш- памяти.

Оперативная память

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM) - область памяти, предназначенная для хранения информации на протяжении одного сеанса работы с компьютером. Конструктивно ОЗУ выполнено в виде интегральных микросхем.

Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов – битов, объединенных в группы по 8 битов, которые наз. байтами. Все байты пронумерованы, номер байта наз. его адресом.

Из нее процессор прочитывает программы и начальные данные для обработки в свои регистры, у нее записывает полученные результаты. Название “оперативная” эта память получила потому, что она работает очень быстро, в результате процессору не приходится ожидать при чтении или записи данных в память.

Однако быстродействие ОЗУ ниже быстродействия регистров процессора, поэтому перед выполнением команд процессор переписывает данные из ОЗУ в регистры. По принципу действия различают динамическую память и статическую.

Ячейки динамической памяти являются микроконденсаторами, которые накапливают заряд на своих обкладках. Ячейки статической памяти являются триггерами, которые могут находиться в двух устойчивых состояниях.

Различают два вида памяти: внутреннюю и внешнюю.