Логическое устройство компьютера

Логическое устройство компьютера. Микропроцессор. Самым главным элементом в компьютере, его “мозгом”, является микропроцессор - небольшая (в несколько сантиметров) электронная схема, выполняющая все вычисления и обработку информации. Микропроцессор умеет производить сотни различных операций и делает это со скоростью в несколько десятков или даже сотен миллионов операций в секунду, которая во многом определяет быстродействие компьютера. Он осуществляет выполнение программ, работающих на компьютере, и управляет работой остальных устройств компьютера.

Микропроцессоры отличаются друг от друга и типом (моделью) и тактовой частотой. Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую частоту - чем она выше, тем выше производительность компьютера. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет в одну секунду, и измеряется в мегагерцах (Мгц). (Разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции за разное число тактов.

Чем выше модель микропроцессора, тем, как правило, меньше тактов требуется для их выполнения.) Сопроцессор. В тех случаях, когда на компьютере приходится выполнять много математических вычислений, к основному микропроцессору добавляют математический сопроцессор. Если микропроцессор не содержит специальных команд для работы с числами с плавающей точкой, то при проведении расчетов с вещественными числами каждая операция над ними моделируется с помощью нескольких десятков операций микропроцессора.

Это сильно снижает эффективность применения компьютера для научных вычислений, при использовании машинной графики и для других применений с интенсивным использованием чисел с плавающей точкой. Поэтому в этих случаях следует использовать компьютеры с установленным математическим сопроцессором. Наличие сопроцессора может увеличить скорость выполнения операций с плавающей точкой в 5-15 раз. (Микропроцессоры Intel-80486DX и Pentium сами поддерживают операции с плавающей точкой, поэтому при их использовании математический сопроцессор не требуется.) Оперативная память.

Следующим очень важным элементом компьютера является оперативная память. Именно из нее процессор и сопроцессор берут программы и исходные данные для обработки, в нее они записывают полученные результаты. Название “оперативная” эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память. Однако содержащиеся в ней данные сохраняются только пока компьютер включен, при выключении компьютера содержимое оперативной памяти стирается (за некоторыми исключениями). Емкость оперативной памяти в ПЭВМ измеряется в Килобайтах и Мегабайтах.

Иногда адресное пространство увеличивается до Гигабайта. В наиболее распространенных конфигурациях ПЭВМ емкость оперативной памяти составляет 1-16 Мбайт. В оперативной памяти обычно выделяется область, называемая стеком.

Обращение к стековой памяти возможно только в той ячейке, которая адресуется указателем стека. Стек удобен при организации прерываний и обращении к подпрограммам. Для достаточно быстрых компьютеров необходимо обеспечить быстрый доступ к оперативной памяти, иначе микропроцессор будет простаивать и быстродействие компьютера уменьшится. Для этого такие компьютеры могут оснащаться кэш-памятью, т.е. “сверхоперативной” памятью относительно небольшого объема (обычно от 64 до 256 Кбайт), в которой хранятся наиболее часто используемые участки оперативной памяти.

Кэш-память располагается “между” микропроцессором и оперативной памятью, и при обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные содержатся в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается.

Постоянная память является энергонезависимой и используется для хранения системных программ, в частности, базовой системы ввода-вывода, вспомогательных программ и т.п. Программы, хранящиеся в постоянной памяти, предназначены для постоянного использования микропроцессором. Контроллеры и шина. Чтобы компьютер мог работать, необходимо, чтобы в его оперативной памяти находились программа и данные, которые попадают туда из различных устройств компьютера - клавиатуры, дисководов для магнитных дисков и т.д. Обычно эти устройства называют внешними, хотя некоторые из них могут находиться не снаружи компьютера, а встраиваться внутрь системного блока.

Результаты выполнения программ также выводятся на внешние устройства - монитор, диски, принтер и т. д. Таким образом, для работы компьютера необходим обмен информацией между оперативной памятью и внешними устройствами. Такой обмен называется вводом-выводом. Но этот обмен не происходит непосредственно: между любым внешним устройством и оперативной памятью в компьютере имеются целых два промежуточных звена: 1. Для каждого внешнего устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером, или адаптером.

Некоторые контроллеры (например, контроллер дисков) могут управлять сразу несколькими устройствами. 2. Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, которую в просторечии обычно называют шиной.

Тип системной магистрали передачи данных внутри компьютера является важной характеристикой, которая определяет возможности и диапазон применимости компьютера. Шина входит в состав материнской (системной) платы. Все контроллеры внешних устройств, кроме размещенных непосредственно на материнской плате, подключаются к компьютеру путем вставки этих контроллеров в свободные разъемы (слоты) шины. Одним из контроллеров, которые присутствуют почти в каждом компьютере, является контроллер портов ввода- вывода.

Эти порты бывают следующих типов: - параллельные - к ним обычно подключаются принтеры; - асинхронные последовательные - через них подсоединяются мышь, модем и т.д. - игровой порт - для подключения джойстика. Некоторые устройства могут подключаться и к параллельным, и к последовательным портам. Параллельные порты выполняют ввод и вывод с большей скоростью, чем последовательные (за счет использования большего числа проводов в кабеле). Электронные платы. Для упрощения подключения устройств электронные схемы компьютера состоят из нескольких модулей - электронных плат. На основной плате компьютера - системной, или материнской, плате - обычно располагаются основной микропроцессор, сопроцессор, оперативная память и шина. Схемы, управляющие внешними устройствами компьютера (контроллеры или адаптеры), находятся на отдельных платах, вставляющихся в унифицированные разъемы (слоты) на материнской плате. Через эти разъемы контроллеры устройств подключаются непосредственно к системной магистрали передачи данных в компьютере - шине. Таким образом, наличие свободных разъемов шины обеспечивает возможность добавления к компьютеру новых устройств.

Чтобы заменить одно устройство другим (например, устаревший адаптер монитора на новый), надо просто вынуть соответствующую плату из разъема и вставить вместо нее другую.

Несколько сложнее осуществляется замена самой материнской платы. Эффективность использования ПЭВМ в большой степени определяется количеством и типами внешних устройств, которые могут применяться в ее составе.

Внешние устройства обеспечивают взаимодействие пользователя с ПЭВМ. Конструктивно каждая модель ПЭВМ имеет так называемый “базовый набор” внешних устройств: клавиатуру, дисплей, накопитель на жестком магнитном диске и один или несколько накопителей на гибких магнитных дисках, составляющий вместе с системным блоком “базовую конфигурацию” этой модели. Клавиатура (клавишное устройство) реализует диалоговое общение пользователя с ПЭВМ. Клавиатура конструируется в соответствии с энергоэкономическими требованиями: она должна создавать удобство для длительной работы; расположение клавиш должно соответствовать стандартам на клавиатуры для пишущих машинок.

При разработке клавиатуры учитывается возможность предельного сокращения нажатий на клавиши пользователя. Это достигается изменением значений отдельных клавиш программным путем. Клавиатура ПЭВМ передает микропроцессору не код символа, а порядковый номер нажатой клавиши и продолжительность времени каждого нажатия.

Интерпретация смысла нажатой клавиши выполняется программным путем. Таким образом, кодировка клавиши оказывается независимой от кодировки символов, что значительно упрощает работу с клавиатурой. Дисплей (монитор) компьютера предназначен для вывода на экран текстовой и графической информации. Дисплеи могут существенно различаться; от их характеристик зависят возможности машин и используемого программного обеспечения.

Мониторы бывают цветными и монохромными. Они могут работать в одном из двух режимов: текстовом или графическом. В текстовом режиме экран монитора условно разбивается на отдельные участки - знакоместа (чаще всего на 25 строк по 80 символов (знакомест)). В каждое знакоместо может быть выведен один из 256 заранее заданных символов. На цветных мониторах каждому знакоместу может соответствовать свой цвет символа и свой цвет фона; на монохромных мониторах для выделения отдельных частей текста и участков экрана используются повышенная яркость символов, подчеркивание и инверсное изображение.

Графический режим монитора предназначен для вывода на экран графиков, рисунков и т.д. Разумеется, в этом режиме можно также выводить и текстовую информацию в виде различных надписей. В графическом режиме экран монитора состоит из точек, каждая из которых может быть темной или светлой на монохромных мониторах или одного из нескольких цветов - на цветном. Количество точек по горизонтали и вертикали называется разрешающей способностью монитора в данном режиме.

Разрешающая способность монитора не зависит от размера его экрана, но размер экрана влияет на различимость изображения в целом и четкость его отдельных элементов. Дисплей подключается к системному блоку с помощью контроллера, чаще всего выполненного в виде отдельной платы (адаптера), вставляемой в системный блок. Сейчас экраны дисплеев часто оснащаются специальными средствами защиты от всех видов воздействий, которые негативно сказываются на здоровье пользователя.

Общение пользователя с ПЭВМ облегчается с помощью различных манипуляторов. Наиболее распространенным из них является мышь, которая представляет собой небольшую коробочку с двумя или тремя клавишами и утопленным свободно вращающимся в любом направлении шариком на нижней поверхности. Коробочка подключается к компьютеру при помощи специального шнура. В портативных ПЭВМ мышь обычно заменяется особым встроенным в клавиатуру шариком на подставке с двумя клавишами по бокам, называемым трекбол.

Для непосредственного считывания графической информации с бумажного или иного носителя в ПЭВМ применяются оптические сканеры. К ручным манипуляторам относится и джойстик, представляющий собой подвижную рукоять с одной или двумя кнопками. К внешним запоминающим устройствам компьютера относятся накопители на гибких магнитных дисках и накопители на жестких магнитных дисках. Гибкие диски (дискеты) позволяют переносить документы и программы с одного компьютера на другой, хранить информацию, не используемую постоянно на компьютере, делать архивные копии информации, содержащейся на жестком диске.

Накопители на жестком диске (винчестеры) предназначены для постоянного хранения информации, используемой при работе с компьютером: программ операционной системы, часто используемых пакетов программ, редакторов документов, трансляторов с языков программирования и т.д. Наличие жесткого диска значительно повышает удобство работы с компьютером.

Накопители на жестких магнитных дисках содержат несколько дисков, объединенных в пакет. Винчестер является несменяемым и располагается внутри системного блока. Любой диск имеет физический и логический формат. Физический формат диска определяет размер сектора (в байтах), число секторов на дорожке (или цилиндре), число дорожек (цилиндров) и число сторон. Логический формат диска задает способ организации информации на диске и фиксирует размещение информации различных типов.

В отличие от гибких дисков, физический и логический форматы которых устанавливаются в процессе форматирования дискеты, жесткие диски поступают к потребителю с определенным физическим форматом. Логическая структура жесткого диска устанавливается пользователем. Для вывода информации на бумагу используют принтер (или печатающее устройство). Все принтеры могут выводить текстовую информацию, многие из них могут также выводить рисунки и графики, а некоторые принтеры могут выводить и цветные изображения.

В ПЭВМ используются матричные, лепестковые, струйные и лазерные принтеры. В настоящее время индустрия производства компьютеров и программного обеспечения для них является одной из наиболее важных сфер экономики развитых стран. стремительный рост индустрии персональных компьютеров объясняется простотой их использования, относительно высокими возможностями по переработке информации, высокой надежностью и простотой ремонта, основанных на интеграции компонентов компьютера; возможностью расширения и адаптации к особенностям применения (один и тот же компьютер может быть оснащен различными периферийными устройствами и разным программным обеспечением); а также наличием программного обеспечения, охватывающего практически все сферы человеческой деятельности, и мощных систем для разработки нового программного обеспечения.

Персональные компьютеры являются наиболее широко используемым видом компьютеров, их мощность постоянно увеличивается, а область применения расширяется.

Персональные компьютеры могут объединяться в сети, что позволяет десяткам и сотням пользователей легко обмениваться информацией и одновременно получать доступ к общим базам данных. Средства электронной почты позволяют пользователям компьютеров с помощью обычной телефонной сети посылать текстовые и факсимильные сообщения на огромные расстояния и получать информацию из крупных банков данных. Однако возможности персональных компьютеров по обработке информации все же ограничены.

Наиболее часто встречающиеся ограничения - по объему обрабатываемой информации и по скорости вычислений. Во многих случаях требуется обрабатывать огромные (больше 1 Гбайта) объемы информации или делать это быстрее, чем позволяет ПЭВМ. К таким областям относится банковское дело, системы резервирования авиа- и железнодорожных билетов и т.д. Например, на персональном компьютере легко можно создать базу данных индивидуального пользования с названиями и характеристиками журналов по какой-либо предметной области.

Но для создания базы данных, в которой хранились бы тексты статей из этих журналов и к которой одновременно могли бы обращаться сотни пользователей, потребуются уже большие ЭВМ. При обработке больших объемов информации часто оказывается наиболее целесообразным совместное использование компьютеров разного уровня, где на каждом уровне решаются те задачи, которые соответствуют его возможностям. Например в крупном банке обработка информации о клиентах и расчетах, скорее всего, потребует большую ЭВМ, а ввод данных и анализ результатов может осуществляться и на персональных компьютерах. Во многих задачах оказывается недостаточной вычислительная мощность персональных компьютеров.

Например, расчет механической прочности конструкции из нескольких сотен элементов можно сделать и на ПЭВМ, но если надо рассчитать прочность конструкции из сотен тысяч элементов, то потребуется уже большая ЭВМ. Другим примером является компьютерное производство видеофильмов.

Для создания реалистичных фильмов и специальных видеоэффектов требуется такой гигантский объем вычислений, который выполнить на персональных компьютерах практически невозможно. Даже для производства небольшого фильма потребуется много дней или недель работы компьютера. Поэтому профессиональные студии, занимающиеся производством фильмов, видеорекламы и т.д вынуждены приобретать специализированные компьютеры. Проблемы повышения жизненного уровня людей, улучшения структуры и ускорения процессов, определяющих научно-технический прогресс, формирование качественно новых общественных, производственных и правовых отношений требуют дальнейшего развития вычислительной техники.

Быстро растут и требования, предъявляемые к персональным компьютерам, что ведет к их постоянному совершенствованию.