Технические средства реализации информационных процессов

Основой любого микропроцессора  является ядро, которое состоит из миллионов транзисторов, расположенных  на кристалле кремния. Микропроцессор имеет специальные ячейки, которые  называются регистрами. Работа процессора состоит в выборе из памяти в определенной последовательности команд и данных и их выполнении. Для повышения быстродействия ПК микропроцессор снабжен внутренней кэш-памятью. 

Процессоры Intel, используемые в IBM-совместных ПК, насчитывают более тысячи команд и относятся к процессорам с расширенной системой команд≈ CISC-процессорам (CISC≈ Complex Instruction Set Computing). 

Альтернативой CISC-процессорам  являются процессоры архитектуры RISC с  сокращенной системой команд (RISC≈  Reduced Instruction Set Computing). В RISC-процессорах количество команд значительно меньше, и каждая команда выполняется быстрее. В последнее время компания AMD выпускает процессоры, которые имеют гибридную архитектуру (внутреннее ядро этих процессоров выполнено по RISC-архитектуре, а внешняя структура √ по архитектуре CISC). 

Чипсетом (chipset) системной платы называется набор микросхем, управляющий процессором, памятью, постоянным запоминающим устройством, памятью, шинами и интерфейсами передачи данных, а также рядом периферийных устройств. Чипсет, как правило, состоит из нескольких специализированных интегральных микросхем, конструктивно привязанных к типу используемого процессора. Переход к чипсетам обусловлен необходимостью обеспечения совместимости аппаратных средств различных производителей. 

Обмен данными и  командами между внутренними  устройствами ПК происходит по проводникам  многожильного кабеля √ системным  шинам. Основной задачей системной  шины является передача данных между  процессором и остальными электронными узлами компьютера. Различают три  вида шин: 

╥  шина данных;  

╥  шина адреса; 

╥  шина команд. 

Шина данных. По этой шине происходит передача данных из оперативной  памяти в регистры процессора и наоборот. В ПК на базе процессоров Intel Pentium шина данных 64-разрядная, т.е. за один такт на обработку поступает сразу 8 байт данных. 

Шина адреса. По этой шине передаются адреса ячеек оперативной  памяти, где находятся команды, которые  необходимо выполнить процессору. Кроме  этого, по этой шине передаются данные, с которыми оперируют команды. В  современных процессорах адресная шина 32-разрядная, то есть она состоит  из 32 параллельных проводников. 

Шина команд. По этой шине из оперативной памяти поступают  команды, выполняемые процессором. Команды представлены в виде байтов. Простые команды занимают один байт, а более сложные √ два, три  и больше байтов. Большинство современных  процессоров имеют 32-разрядную командную  шину, хотя существуют 64-разрядные процессоры с командной шиной. 

Рассмотрим основные шинные интерфейсы системных плат, но более подробно остановимся на шине USB. 

USB (Universal Serial Bus). Универсальная последовательная шина USB является обязательным элементом современного ПК, она пришла на смену устаревшим параллельным и последовательным портам. Шина USB представляет собой последовательный интерфейс передачи данных для средне- и низкоскоростных периферийных устройств. Она позволяет подключить до 256 разных устройств с последовательным интерфейсом. Шина USB поддерживает автоопределение (Plug-n-play) новых устройств, а также так называемое ╚горячее╩ подключение, то есть подключение к работающему компьютеру без его перезагрузки. Скорость передачи данных по USB составляет 1,5 Мб/с. Приведём без пояснения другие типы шин ISA (Industry Standard Architecture), PCI (Peripheral Component Interconnect), FSB (Front Side Bus), AGP (Advanced Graphic Port). Все виды запоминающих устройств, расположенные на системной плате, образуют внутреннюю память ПК, к которой относятся: 

╥  оперативная память; 

╥  сверхоперативная память (кэш-память); 

╥  постоянная память; 

Оперативная память RAM (Random Access Memory) используется для хранения исполняемых в данный момент программ и необходимых для этого данных. Через оперативную память происходит обмен командами и данными между микропроцессором, внешней памятью и периферийными устройствами. Высокое быстродействие определяет название (оперативная) данного вида памяти. Ключевой особенностью оперативной памяти является ее энергозависимость, т.е. данные хранятся только при включенном компьютере. 

По физическому  принципу действия различают динамическую память DRAM и статическую память SRAM. 

Динамическая память при всей простоте и низкой стоимости  обладает существенным недостатком, заключающимся  в необходимости периодической  регенерации (обновлении) содержимого  памяти. 

Микросхемы динамической памяти используются как основная оперативная  память, а микросхемы статической  √ для кэш-памяти. 

Кэш-память (cache memory) используется для повышения быстродействия ПК. Принцип ╚кэширования╩ заключается в использовании быстродействующей памяти для хранения наиболее часто используемых данных или команд, тем самым сокращая количество обращений к более медленной оперативной памяти.  

Постоянная память ROM (Read Only Memory) предназначена для хранения неизменяемой информации и размещается в микросхеме постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). Микросхема ПЗУ способна продолжительное время сохранять информацию даже при отключенном компьютере, поэтому постоянную память также называют энергонезависимой памятью. 

Комплект программ, находящийся в ПЗУ, составляет базовую  систему ввода/вывода BIOS (Basic Input Output System). BIOS содержит программы управления клавиатурой, видеокартой, дисками, портами и другими устройствами. Основное назначение этих программ состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность системы и обеспечить взаимодействие основных узлов ПК до загрузки какой-либо операционной системы. Кроме этого, в BIOS входит программа тестирования, которая выполняется при включении компьютера. 
 

2.3.           Понятие вычислительной системы 

Понятие вычислительной системы неразрывно связано с  понятием ╚архитектура ЭВМ╩, которое появилось в середине 60-х годов прошлого века, когда существенно изменился подход к созданию вычислительных машин. По определению, архитектура ≈ это описание сложной системы, состоящей из множества элементов, как единого целого.

Архитектура современного персонального компьютера являются обобщением принципов построения ЭВМ, предложенных группой ученых во главе  с Джоном фон Нейманом в середине XX века. 

Принцип программного управления. Для решения каждой задачи составляется программа, определяющая последовательность действий компьютера. 

Принцип программы, сохраняемой в памяти. Команды  программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа  перед выполнением загружается  в оперативную память, что ускоряет процесс ее выполнения. 

Принцип произвольного  доступа к памяти. Программы и  данные записываются в произвольное место оперативной памяти, что  позволяет обратиться по любому заданному  адресу к требуемому участку памяти. 

На основании изложенных принципов можно сформулировать 818f54di следующее определение. Компьютер  ≈ это техническое устройство, которое после ввода в память начальных данных и программы  их обработки, представленных в цифровом формате, автоматически осуществляет вычислительный процесс, заданный программой, и выдает результаты решения задачи в форме, пригодной для восприятия человеком. Логическая структура ЭВМ  показана на рис. 2.1.  
 

 

   
 
 
 
 
 
 
 
 

Реальная структура  компьютера значительно сложнее, что  обусловлено стремлением к повышению  его производительности. Именно поэтому  в архитектуре персональной ЭВМ  появилась кэш-память. Аналогично для  повышения производительности компьютера в его архитектуру введены  каналы прямого доступа к оперативной  памяти, которые используются для  обмена данными с устройствами ввода-вывода, минуя микропроцессор. Периферийные устройства подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры  ≈ устройства управления, освобождая процессор от непосредственного  управления данным оборудованием. 

В архитектуре персонального  компьютера появился сопроцессор ≈  устройство, функционирующее параллельно  с главным процессором и выполняющее  специальные операции, например, математический сопроцессор используется для выполнения сложных математических вычислений. 

В персональных компьютерах  реализован новый принцип открытой архитектуры (рис. 2.2).  
 

 

   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Он заключается  в том, что устройства, непосредственно  участвующие в обработке информации (процессор, сопроцессор, оперативная  память), соединяются с остальными устройствами единой магистралью ≈  шиной. Устройства, связанные с процессором  через шину, а не напрямую, называют периферийными. 

Принцип открытой архитектуры  позволяет выбрать 818f54di , расширить  и модернизировать 818f54di конфигурацию компьютера. Конфигурация компьютера определяется составом устройств, подключенных к нему. 
 

2.4. Устройства хранения  данных 
 

Память является составной частью аппаратных средств  ПК. В памяти хранятся как программы, так и данные. Память персонального  компьютера подразделяется на внутреннюю и внешнюю. 

Внутренняя память предназначена для временного хранения программ и обрабатываемых в текущий  момент данных (оперативная память, кэш-память), а также для долговременного  хранения информации о конфигурации ПК (энергонезависимая память). Внешняя  память используется для длительного  хранения большого объема данных и  программ. 

Физической основой  внутренней памяти, как было показано ранее, 

являются электронные  схемы (ПЗУ, ОЗУ), отличающиеся высоким  быстродействием, но они не позволяют  хранить большие объемы данных. Кроме  этого, оперативная память является энергозависимой, т.е. при отключении ПК ее содержимое стирается. В персональных компьютерах функция длительного  хранения больших объемов данных возложена на внешнюю память, которая  является медленной, энергонезависимой  и практически неограниченной. 

Внешняя память ≈  это память, реализованная в виде внешних, относительно материнской  платы, устройств с разными принципами хранения информации и типами носителей, предназначенных для долговременного  хранения данных. В современных компьютерах  используются три вида носителей: электрические, магнитные, оптические. 

Накопитель представляет собой совокупность носителя данных и соответствующего привода. Различают  накопители со сменными и постоянными  носителями. 

Привод ≈ это  объединение механизма чтения-записи с соответствующими электронными схемами  управления. Его конструкция определяется принципом действия и видом носителя. 

Носитель≈ это физическая среда хранения информации. По внешнему виду может быть дисковым или ленточным. По способу запоминания различают  магнитные, оптические и магнитооптическими, в дисковых носителях используют магнитные, магнитооптические и оптические методы записи/считывания информации. 

Накопитель на гибких магнитных дисках (НГМД, FDD ≈ Floppy Disk Drive) представляет собой устройство (дисковод) для чтения и записи гибких магнитных дисков (дискет). Магнитный диск вращается с помощью привода, для записи и считывания информации используются магнитные головки. 

Магнитные диски  являются съемными носителями, т.е. один дисковод может последовательно  работать 818f54di с множеством дискет. Стандартная емкость дискет, используемых (3,5 дюйма) в современных ПК, составляет 1,44 Мб. Маркировка дискеты 2HD 1,44 Mb указывает на двухстороннюю высокую плотность записи и общую емкость диска 1,44 Мб. Информация на дискету записывается по дорожкам-окружностям (трекам). На каждой стороне дискеты помещается 80 дорожек, в зависимости от формата дискеты. Каждая дорожка состоит из 18 секторов, в каждом из которых может быть записано 512 байт информации.