Современный компьютер как совокупность аппаратуры и программных средств

      Арифметико-логическое устройство  выполняет арифметические и логические операции над данными: сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение и др.

      Запоминающее  устройство - это внутренняя память процессора. Регистры служит промежуточной быстрой памятью, используя которые, процессор выполняет расчёты и сохраняет промежуточные результаты. Для ускорения работы с оперативной памятью используется кэш-память, в которую с опережением подкачиваются команды и данные из оперативной памяти, необходимые процессору для последующих операций.

      Генератор тактовой частоты генерирует электрические  импульсы, синхронизирующие работу всех узлов компьютера. В ритме генератора тактовой частоты работает центральный  процессор.

      К основным характеристикам процессора относятся:

      Быстродействие (вычислительная мощность) – это  среднее число операций процессора в секунду.

      Тактовая  частота . Тактовая равна количеству тактов в секунду. Тактовая частота  отражает уровень промышленной технологии, по которой изготавливался данный процессор.

      Разрядность процессора - это максимальное количество бит информации, которые могут  обрабатываться и передаваться процессором  одновременно. Разрядность процессора определяется разрядностью регистров, в которые помещаются обрабатываемые данные.

устройств вывода

        Оперативная память является одним из важнейших элементов компьютера. Именно из нее процессор берет программы и исходные данные для обработки, в нее он записывает полученные результаты. Название «оперативная» эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору практически не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память.

      Всю память с произвольным доступом (RAM) можно разделить на два типа: DRAM (динамическая RAM) и SRAM (статическая RAM). Причем независимо от типа оперативная память ЭВМ является адресной. Это значит, что каждой, хранимой в памяти единице информации ставится в соответствие специальное число, а именно адрес, определяющий место его хранения в памяти. В современных ЭВМ различных типов, как правило, минимальной адресуемой единицей информации является байт (8-ми разрядный код). Более крупные единицы информации - это слово и производные: двойное слово, полуслово и т. д. (образуется из целого числа байт). Обычно слово соответствует формату данных, наиболее часто встречающихся в данной машине в качестве операндов. Часто формат слова соответствует ширине выборке из основной памяти.

      Динамическая  оперативная память ( Dynamic RAM – DRAM) используется в большинстве систем оперативной памяти персональных компьютеров. Основное преимущество этого типа памяти состоит в том, что ее ячейки упакованы очень плотно, т.е. в небольшую микросхему можно упаковать много битов, а заначит, на их основе можно построить память большей емкости. В устройствах DRAM для хранения одного бита используется только один транзистор и пара конденсаторов, поэтому они более вместительны, чем микросхемы других типов памяти. Транзистор для каждого однозарядного регистра DRAM использует для чтения состояния смежного конденсатора. Если конденсатор заряжен, в ячейке записана 1; если заряда нет – записан 0. Заряды в крошечных конденсаторах все время стекают, вот почему память должна постоянно регенерироваться. Даже мгновенное прерывание подачи питания или какой-нибудь сбой в циклах регенерации приведет к потере заряда в ячейке DRAM, а следовательно, к потере данных.

     Существует  тип памяти, совершенно отличный от других, - статическая оперативная  память (Static RAM – SRAM). Она названа  так потому, что, в отличии от динамической оперативной памяти , для сохранения ее содержимого не требуется переодической регенерации. Но это не единственное ее преимущество. SRAM имеет более высокое быстродействие, чем динамическая оперативная память, и может работать на той же частоте, что и современные процессоры. Однако для хранения каждого бита в конструкции SRAM используется кластер из 6 транзисторов. Использование транзисторов без каких либо конденсаторов означает, что нет необходимости в регенерации. Пока подается питание, SRAM будет помнить то, что сохранено.

      Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины:

● шину данных,

● шину адреса,

● шину управления.

     Они представляют собой многопроводные линии. К магистрали подключаются  процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода и вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией на машинной языке (последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов).

     Шина  данных служит для пересылки данных между ЦП и памятью или ЦП и устройствами ввода/вывода. Эти данные могут представлять собой как команды ЦП, так и информацию, которую ЦП посылает в порты ввода/вывода или принимает оттуда. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от одного устройства к другому в любом направлении. Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, то есть количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно. Разрядность процессоров постоянно увеличивается по мере развития компьютерной техники. В МП 8088 шина данных имеет ширину 8 разрядов. В МП 8086, 80186, 80286 ширина шины данных 16 разрядов; в МП 80386, 80486, Pentium и Pentium Pro - 32 разряда.

     Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении - от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина). Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство), то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Разрядность шины адреса постоянно увеличивалась и в современных персональных компьютерах составляет 36 бит.

     По  шине управления передаются управляющие  сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали и предназначенные  памяти и устройствам ввода/вывода. Сигналы управления показывают, какую операцию - считывание или запись информации из памяти - нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и так далее. Магистральная организация предполагает наличие управляющего модуля. Основное назначение этого модуля - организация передачи слова между двумя другими модулями.

      Технология  магнитной записи стала широко использоваться в различных элементах памяти с начала 1950-х годов. Именно эта  технология до сих пор применяется  в работе большинства компьютеров. Она позволила обеспечить экспоненциальный рост плотности записи за последние тридцать лет и достигнуть его 100%-ного ежегодного увеличения в настоящее время.

      Что представляет собой один бит магнитной  информации? В современных носителях  это один магнитный домен, направление вектора намагниченности в котором может быть изменено внешним полем. В магнитной записи используются так называемые продольные домены, намагниченность которых ориентирована в плоскости диска. Запись одного бита информации осуществляется путем подачи тока в электрическую катушку. Считывание информации при данной схеме работы может осуществляться различными способами. Для записи битов с высокой плотностью записи необходимо, чтобы не только расстояние между магнитной средой и считывающей/записывающей головкой было исчезающе мало, но и чтобы сама среда была как можно более тонкой и гладкой.

      Устройства  ввода данных

     1. Клавиатура (keyboard) – традиционное устройство ввода данных в компьютер. Клавиатурами оснащены как персональные компьютеры, так и терминалы мэйнфреймов. Клавиатура современного компьютера содержит обычно 101 или 102 клавиши, разделенные на 4 блока: алфавитно-цифровой блок – содержит клавиши латинского и национального алфавитов, а также клавиши цифр и специальных символов; блок управляющих клавиш; блок расширенной цифровой клавиатуры; блок навигации.

     2. Мышь (mouse) была разработана довольно давно (в 60-х годах), но стала широко использоваться только с приходом в мир персональных компьютеров графического пользовательского интерфейса. Обычно мышь, как и клавиатура, подключается к компьютеру с помощью кабеля. Пользоваться мышью легко – вы передвигаете ее по столу, а на экране компьютера синхронно перемещается курсор. Чтобы активизировать некоторую опцию, нужно щелкнуть левой (left) клавишей мыши. С помощью мыши можно также "рисовать" на экране картинки.

     3. Сенсорные экраны (touch screens) предназначены для тех, кто не может пользоваться обычной клавиатурой. Пользователь может ввести символ или команду прикосновением пальца к определенной области экрана. Сенсорные экраны используются в основном на сладах продукции, в ресторанах, супермаркетах.

     4. Сканеры (scanners) преобразуют в цифровую форму графическую информацию (рисунки, чертежи и пр.) и большие объемы текстовой информации. Системы распознавания речи (voice input devices) преобразуют в цифровую форму произносимые пользователем слова. Существует два режима работы подобных устройств. В режиме управления (command mode) вы произносите команды (такие как "открыть документ", "запустить программу" и т.д.), которые выполняются компьютером. В режиме диктовки (dictation mode) можно надиктовывать компьютеру любой текст. К сожалению, точность распознавания речи таких систем оставляет желать лучшего. Человеческий голос имеет множество оттенков, на точность распознавания может повлиять интонация, громкость речь, окружающий шум, даже банальный насморк. Тем не менее, работа над совершенствованием этих устройств ввода информации продолжается и, несомненно, у них большое будущее. Некоторые отделения Почтовой службы США используют системы распознавания речи для повышения эффективности труда работников, занятых упаковкой и сортировкой почтовых грузов. Вместо того чтобы вводить ZIP-код, работник произносит его, в то время как его руки заняты упаковкой.

  5. Сенсорные датчики (sensors) – это устройства для ввода в компьютер пространственной информации. Например, корпорация General Motors использует сенсоры в своих легковых автомобилях для передачи в бортовой компьютер машины данных об окружающем пространстве и маршруте. Сенсорные датчики также нашли применение в системах виртуальной реальности, игровых приставках и симуляторах.

  Основные устройства вывода информации – мониторы и принтеры.

     1. Мониторы (monitors) – наиболее популярные устройства отображения информации. Основа большинства современных мониторов – электронно-лучевая трубка, ЭЛТ (cathode ray tube, CRT). По принципу работы ЭЛТ напоминают кинескопы, используемые в обычных телевизорах – электронная пушка испускает пучок электронов, высвечивающих на экране картинку, состоящую из точек (pixels).  Чем больше точек может вместить экран, тем выше разрешение (resolution) монитора. Большинство мониторов поддерживают режимы разрешения 800x600 и 1024x768 точек. Кроме разрешения, мониторы характеризуются следующими параметрами, определяющими качество изображения: размер зерна (dot size), дюйм (inch) – физический размер одной точки экрана монитора. Чем меньше размер зерна, тем выше качество изображения. Большинство мониторов бизнес-класса имеют размер зерна, равный 0.28 дюйма; размер ЭЛТ по диагонали (CRT size), дюйм (inch). Чем выше частота развертки, тем меньше устают глаза пользователя. Относительно безопасной является частота развертки от 85 Гц и выше.

     2. Принтеры (printers) выполняют печать информации на бумаге или пленке (результат, получаемый при печати, называют твердой копией [hard copy]).

  Принтеры бывают матричные (dot matrix), струйные (inkjet), лазерные (laser) и термографические (thermal transfer). К последним относятся сублимационные и твердочернильные. Большинство принтеров печатают от 2 до 8 страниц в минуту. Линейно-матричные принтеры могут печатать до 20000 строк в минуту.

3. Иерархия программных  средств 

     Все программные средства можно разделить  на внутреннее и внешнее ПО.

      Программы первого уровня хранятся в ПЗУ  и работают непосредственно с  аппаратурой ЭВМ. Таким образом, все подобные программы являются неотъемлемой частью конкретной ЭВМ. Поэтому набор таких программ называют внутренним программным обеспечением. Для ПЭВМ совокупность этих программ носит название BIOS (Base Input Output System – базовая система ввода-вывода). В состав BIOS входят:

      драйверы  стандартных внешних устройств;

      тестовые  программы для контроля работоспособности  оборудования;

      программа начальной загрузки.

      Все эти программы начинают работать при включении ЭВМ: сначала тестируют  память, затем проверяют наличие внешних устройств и их работоспособность и после всего передают управление операционной

     Драйвер [driver] – программа, обслуживающая  внешнее устройство. Она предоставляет  пользователю или программам более  высокого уровня набор функций –  программный интерфейс – для управления конкретным внешним устройством. Кроме того, драйвер обрабатывает прерывания от обслуживаемого устройства.

      Второй  уровень принадлежит операционным системам. В состав операционной системы  обычно также входят дополнительные драйверы, которые обеспечивают работу с внешними устройствами, не известными внутренним драйверам. Операционная система предоставляет программам более высокого уровня набор функций (программный интерфейс), а пользователям – набор утилит и некоторые инструментальные программы (пользовательский интерфейс).

      К третьему уровню относятся все остальные  программы.

      Программы второго и третьего уровней хранятся в файлах.