Архитектура ЭВМ
Базовые определения Компьютер (англ. computer — вычислитель) - представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами. Электронная вычислительная машина (ЭВМ) - комплекс технических и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 22
Основные сведения об устройстве ЭВМ Электронная вычислительная машиной (ЭВМ) выполняет следующие операции: n Ввод информации n Обработку информации по заложенной в ЭВМ программе n Вывод результатов обработки в форме, пригодной для восприятия человеком За каждой из действий отвечает специальной блок ЭВМ: n Устройство ввода n Запоминающее устройство (ЗУ) n Центральный процессор (ЦП) n Устройство вывода кафедра ЮНЕСКО по НИТ 33
Пользователь – человек, в интересах которого проводится обработка данных на ЭВМ. В качестве пользователя могут выступать заказчики вычислительных работ, программисты, операторы. Как правило, время подготовки задач во много раз превышает время их решения. Требования пользователей к выполнению вычислительных работ удовлетворяются специальным подбором и настройкой технических и программных средств. Обычно эти средства взаимосвязаны и объединяются в одну структуру. При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 44
Структура компьютера – это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства – от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации. Различают структуры технических, программных и аппаратурно-программных средств. Выбирая ЭВМ для решения своих задач, пользователь интересуется функциональными возможностями технических и программных модулей. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 55
Характеристики ЭВМ, определяющие ее структуру: n n n технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ (быстродействие и производительность, показатели надежности, достоверности, точности, емкость оперативной и внешней памяти, габаритные размеры, стоимость технических и программных средств, особенности эксплуатации и др. ); характеристики и состав функциональных модулей базовой конфигурации ЭВМ; возможность расширения состава технических и программных средств; возможность изменения структуры; состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг (операционная система или среда, пакеты прикладных программ, средства автоматизации программирования). кафедра ЮНЕСКО по НИТ 66
Архитектура ЭВМ – это многоуровневая иерархия аппаратурно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения ЭВМ. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 7
Принципы Джона фон Неймана n Принцип программного управления (программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности). n Принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти). n Принцип адресности (структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка). кафедра ЮНЕСКО по НИТ 8
Архитектура фон Неймана n В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены принципы фон Неймана (классическая архитектура) — — n одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа. Это однопроцессорный компьютер. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 99
Системная магистраль n n n Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления. Периферийные устройства (принтер и др. ) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления периферийными устройствами. Контроллер — устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 10 10
Архитектура вычислительной машины Фон-Неймана Внешнее запоминающее устройство Процессор Устройство ввода Арифметикологическое устройство Устройство управления Устройство вывода Оперативное запоминающее устройство поток информации управляющий сигнал кафедра ЮНЕСКО по НИТ 11
Архитектурная организация процессора ЭВМ Процессор занимает в архитектуре центральное место, осуществляет n управление, взаимодействие всех основных компонентов ЭВМ; n обработку информации; n программное управление данными. кафедра ЮНЕСКО по НИТ Арифметико-логическое устройство Память на регистрах Устройство управления 12 12
АЛУ – выполняет арифметические, логические операции. Пример. Команды АЛУ – просты: "сравнить два числа", "переслать число", "взять дизъюнкцию" и др. УУ – организует работу ЭВМ, в частности это устройство извлекает очередную команду из памяти, расшифровывает команду, выбирает из памяти операнды к расшифрованной команде и передает их АЛУ для выполнения расшифрованной операции, а после выполнения пересылает результат для хранения в память. При этом УУ реагирует на нормальный или аварийный ход выполнения операции. Совокупность АЛУ и УУ, информационно-управляющих линий называется процессором компьютера. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 13
АЛУ Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др. АЛУ каждый раз перенастраивается на выполнение очередной операции. Результаты выполнения отдельных операций сохраняются для последующего использования на одном из регистров АЛУ или записываются в память. Результаты, полученные после выполнения всей программы вычислений, передаются на устройства вывода (УВыв) информации. В качестве УВыв могут использоваться экран дисплея, принтер, графопостроитель и др. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 14 14
АЛУ Современные ЭВМ имеют достаточно развитые системы машинных операций. Например, ЭВМ типа IBM PC имеют около 200 различных операций (170 - 230 в зависимости от типа микропроцессора). Любая операция в ЭВМ выполняется по определенной микропрограмме, реализуемой в схемах АЛУ соответствующей последовательностью сигналов управления (микрокоманд). Каждая отдельная микрокоманда – это простейшее элементарное преобразование данных типа алгебраического сложения, сдвига, перезаписи информации и т. п. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 15 15
УУ n n Устройство управления предназначается для автоматического выполнения программ путем принудительной координации всех остальных устройств ЭВМ. Вызываемые из ОЗУ команды дешифрируются устройством управления: определяются код операции, которую необходимо выполнить следующей, и адреса операндов, принимающих участие в данной операции. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 16 16
Другие архитектурные решения n n Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 17
ЭВМ первых поколений n n Уже в первых ЭВМ для увеличения их производительности широко применялось совмещение операций. При этом последовательные фазы выполнения отдельных команд программы (формирование адресов операндов, выборка операндов, выполнение операции, отсылка результата) выполнялись отдельными функциональными блоками. В своей работе они образовывали своеобразный конвейер, а их параллельная работа позволяла обрабатывать различные фазы целого блока команд. Этот принцип получил дальнейшее развитие в ЭВМ следующих поколений. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 18 18
ЭВМ первых поколений n n Первые ЭВМ имели очень сильную централизацию управления, единые стандарты форматов команд и данных, “жесткое” построение циклов выполнения отдельных операций, что во многом объясняется ограниченными возможностями используемой в них элементной базы. Центральное УУ обслуживало не только вычислительные операции, но и операции ввода-вывода, пересылок данных между ЗУ и др. Все это позволяло в какой-то степени упростить аппаратуру ЭВМ, но сильно сдерживало рост их производительности. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 19 19
Обобщенная структурная схема ЭВМ первых поколений УВв ОЗУ УВыв Программы и исходные данные Результаты АЛУ ВЗУ УУ поток информации управляющий сигнал кафедра ЮНЕСКО по НИТ 20 20
ЭВМ первых поколений n n С помощью устройств ввода (УВВ) информации пользователи вводят в ЭВМ программы решаемых задач и данные к ним. Введенная информация полностью или частично сначала запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длительного хранения информации, где преобразуется в специальный программный объект - файл. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 21 21
Файл n n Файл - идентифицированная совокупность экземпляров полностью описанного в конкретной программе типа данных, находящихся вне программы во внешней памяти и доступных программе посредством специальных операций (ГОСТ 20866 - 85)» . При использовании файла в вычислительном процессе его содержимое переносится в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в устройство управления (УУ). кафедра ЮНЕСКО по НИТ 22 22
Структурная схема ЭВМ третьего поколения Процессор УВВ АЛУ КВВ УВВ … ОЗУ УУ КВВ … ВЗУ поток информации управляющий сигнал кафедра ЮНЕСКО по НИТ 23 23
ЭВМ третьего поколения n n Сильносвязанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор, т. е. устройство, предназначенное для обработки данных. В схеме ЭВМ появились также дополнительные устройства, которые имели названия: процессоры ввода-вывода, устройства управления обменом информацией, каналы ввода-вывода (КВВ). кафедра ЮНЕСКО по НИТ 24 24
ЭВМ третьего поколения n n КВВ получило наибольшее распространение применительно к большим ЭВМ (наметилась тенденция к децентрализации управления и параллельной работе отдельных устройств, что позволило резко повысить быстродействие ЭВМ в целом). Среди каналов ввода-вывода выделяли мультиплексные каналы, способные обслуживать большое количество медленно работающих устройств ввода-вывода (УВВ), и селекторные каналы, обслуживающие в многоканальных режимах скоростные внешние запоминающие устройства (ВЗУ). кафедра ЮНЕСКО по НИТ 25 25
Структурная схема ЭВМ четвертого поколения Вн. У Процессор ОП Контроллер … … Вн. У Контроллер Шина КПД Таймер В персональных ЭВМ, относящихся к, произошло дальнейшее изменение структуры. Они унаследовали ее от мини-ЭВМ. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 26 26
ЭВМ четвертого поколения n n Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания. Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее еще более децентрализованной. Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ. Ядро ПЭВМ образуют процессор и основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). кафедра ЮНЕСКО по НИТ 27 27
ЭВМ чевертого поколения n n n ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения наиболее часто используемых программ управления. Подключение всех внешних устройств (Вн. У) обеспечивается через соответствующие адаптеры - согласователи скоростей работы сопрягаемых устройств или контроллеры - специальные устройства управления периферийной аппаратурой. Контроллеры в ПЭВМ играют роль каналов ввода-вывода. В качестве особых устройств следует выделить таймер - устройство измерения времени и контроллер прямого доступа к памяти (КПД) - устройство, обеспечивающее доступ к ОП, минуя процессор. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 28 28
Архитектура ЭВМ кафедра ЮНЕСКО по НИТ 29
Архитектура Принцип открытой архитектуры заключается в следующем: n Регламентируется и стандартизируется описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). n Компьютер легко расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних расширительных гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 30
Архитектура Для того, чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера, они должны иметь одинаковый интерфейс (англ. interface от inter — между, и face — лицо). Интерфейс — это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой. Если интерфейс является общепринятым, например, утверждённым на уровне международных соглашений, то он называется стандартным. Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 31
Архитектура Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора. Порты устройств представляют собой некие электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора. Портами также называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы). кафедра ЮНЕСКО по НИТ 32 32
Архитектура Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами — побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно. К последовательному порту обычно подсоединяют медленно действующие или достаточно удалённые устройства, такие, как мышь и модем. К параллельному порту подсоединяют более "быстрые" устройства — принтер и сканер. Через игровой порт подсоединяется джойстик. Клавиатура и монитор подключаются к своим специализированным портам, которые представляют собой просто разъёмы. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 33 33
Архитектура Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру процессора, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской (Mother. Board). А контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения (Dаughter. Board — дочерняя плата) и подключаются к шине с помощью разъёмов расширения, называемых также слотами расширения (англ. slot — щель, паз). кафедра ЮНЕСКО по НИТ 34
Слоты на материнской плате, используемые для установки плат расширения ПК, пример: n ISA, n PCI, n AGP, n PCI Express. Сокеты для установки процессоров, пример: n Socket T (LGA 775, Intel), n Socket F (Socket 1207, AMD). кафедра ЮНЕСКО по НИТ 35 35
Основные блоки ЭВМ состоит из нескольких основных конструктивных компонент: n системного блока; n монитора; n клавиатуры; n манипуляторов. В системном блоке размещаются: n блок питания; n накопитель на жёстких магнитных дисках; n накопитель на гибких магнитных дисках; n системная плата; n платы расширения; n накопитель CD-ROM; n и др. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 36 36
Основные блоки ЭВМ Корпус системного блока может иметь горизонтальную (Desk. Top) или вертикальную (Tower — башня) компоновку. Middle. Tower Виды корпусов системного блока Big tower Desktop кафедра ЮНЕСКО по НИТ 37 37
Основные блоки ЭВМ Типичный системный блок: 1 — Системная плата. 2 — Разъём дополнительного второго процессора. 3 — Центральный процессор с радиатором для отвода тепла. 4 — Разъёмы оперативной памяти. 5 — Накопитель на гибких магнитных дисках. 6 — Накопитель CD-ROM. 7 — Сетевая карта. 8 — Графический акселератор. 9 — Блок питания, преобразующий переменное напряжение электросети в постоянное напряжение различной полярности и величины, необходимое для питания системной платы и внутренних устройств. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 38 38
Системная плата кафедра ЮНЕСКО по НИТ 39
Системная плата является основной в системном блоке. Она содержит компоненты, определяющие архитектуру компьютера: n центральный процессор; n постоянную (ROM) и оперативную (RAM) память, кэш-память; n интерфейсные схемы шин; n гнёзда расширения; n обязательные системные средства ввода-вывода и др. Системные платы исполняются на основе наборов микросхем, которые называются чипсетами (Chip. Sets). Часто на системных платах устанавливают и контроллеры дисковых накопителей, видеоадаптер, контроллеры портов и др. В гнёзда расширения системной платы устанавливаются платы таких периферийных устройств, как модем, сетевая плата, видеоплата и т. п. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 40 40
Шина n n Шина ПК — это канал (магистраль), который связывает между собой процессор, ОЗУ, кэш-память, контроллеры устройств ПК, а также разъемы (слоты) расширения на материнской плате для подключения различных контроллеров устройств ввода/вывода. При этом для сохранения совместимости данные слоты должны быть механически и электрически идентичны в разных моделях совместимых компьютеров. 41
Шина n По шине передаются как данные, так и управляющие сигналы. n Работа шины осуществляется в соответствии с определенными правилами, регламентированными стандартами. n Важнейшие характеристики шин: q q q Частота (МГц) - тактовая частота, с которой происходит обмен данными между процессором и оперативной памятью компьютера , Разрядности (Биты) - определяется разрядностью процессора, т. е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. Скорости передачи данных (Мб/с). 42
УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРА Процессор В основу архитектуры современных ПК положен магистрально-модульный принцип: построение компьютера из функциональных блоков, взаимодействующих посредством общего канала (каналов) – шины. Магистраль включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления, которые представляют собой многопроводные линии. Оперативная память Шина данных (8, 16, 32, 64 бита) Информационная магистраль (шина) Шина адреса (16, 20, 24, 32, 36, 64 бита) Шина управления Контроллеры Устройства ввода Контроллеры Долговременная память Контроллеры Устройства вывода 43 43
Процессор Системная шина Монитор PCI-E Северный мост PCI Жесткие диски CD-ROM DVD-ROM Клавиатура Мышь Оперативная память UDMA Сетевая плата Звуковая плата Внутренний модем SCSI-порт USB Южный Мост PS/2 LPT Сканер WEB-камера Плоттер … Принтер 44
СИСТЕМНАЯ ПЛАТА 45 45
Системная плата кафедра ЮНЕСКО по НИТ 46 46
Центральный процессор кафедра ЮНЕСКО по НИТ 47
Центральный процессор (ЦП) Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 48 48
Процессоры Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 49 49
Процессоры Микропроцессор Pentium 4. Вид сверху (слева) и вид снизу (справа) кафедра ЮНЕСКО по НИТ 50 50
Процессоры Основные параметры процессора: n Частота; n Разрядность; n Кэш-память; n Сокет (разъем); n Архитектура набора команд. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 51
Тактовая частота процессора Существует два типа тактовой частоты: внутренняя и внешняя. Внутренняя тактовая частота – это тактовая частота, на которой функционируют электрические схемы внутри процессора. Внешняя тактовая частота (частота системной шины) – это тактовая частота, с которой происходит обмен данными между процессором и оперативной памятью компьютера. Единица измерения – Гц (Герц). Герц (обозначение: Гц, Hz) — единица измерения частоты периодических процессов (например, колебаний). 1 Гц означает одно исполнение (реализацию) такого процесса за одну секунду: 1 Гц = 1/с 52 52
Тактовая частота Та ктовая частота — частота синхронизирующих импульсов синхронной электронной схемы, то есть количество синхронизирующих тактов, поступающих извне на вход схемы за одну секунду. В самом первом приближении тактовая частота характеризует производительность подсистемы (процессора, памяти и пр. ), то есть количество выполняемых операций в секунду. Однако системы с одной и той же тактовой частотой могут иметь различную производительность, так как на выполнение одной операции разным системам может требоваться различное количество тактов (обычно от долей такта до десятков тактов), а кроме того, системы, использующие конвейерную и параллельную обработку, могут на одних и тех же тактах выполнять одновременно несколько операций. 53 53
Тактовая частота Такт процессора или такт ядра процессора — промежуток между двумя импульсами тактового генератора, который синхронизирует выполнение всех операций процессора. Генератор тактовой частоты (генератор тактовых импульсов) генерирует электрические импульсы заданной частоты (обычно прямоугольной формы) для синхронизации различных процессов в цифровых устройствах — ЭВМ, электронных часах и таймерах, микропроцессорной и другой цифровой технике. 54 54
Тактовая частота Микросхема тактового генератора, установленного на ноутбуке Samsung 55 55
Asus P 4 G 8 X Deluxe Тактовый генератор ICS 950224 AF 56 56
Разрядность процессора определяется разрядностью его регистров. Компьютер может одновременно оперировать ограниченным набором единиц информации. Этот набор зависит от разрядности внутренних регистров. Разряд – это хранилище единицы информации. За один рабочий такт компьютер способен обработать столько информации, сколько может поместиться в регистрах. Если регистры могут хранить восемь единиц информации, то они 8 -разрядные и процессор 8 -разрядный. Чем выше разрядность процессора, тем большее количество информации он сможет обработать за один такт. 57 57
Кэш-память процессора Поскольку скорость работы центрального процессора отличается на порядок от скорости оперативной памяти, то для более интенсивного обмена данными между ними применяется специальная быстродействующая память, которая называется кэш. Она играет роль своего рода буфера между процессором и оперативной памятью компьютера. Существует два типа кэша: первого и второго уровня. Объем кэш-памяти первого и второго уровня влияет на производительность процессора (чем больше – тем выше производительность). 58 58
Процессоры Разъём центрального процессора — гнездовой или щелевой разъём, предназначенный для установки центрального процессора. Разъём может быть предназначен для установки собственно процессора или CPU-карты. Каждый разъём допускает установку только определённого типа процессора или CPU-карты. Старые разъёмы для процессоров x 86 нумеровались в порядке выпуска, обычно одной цифрой. Более поздние разъёмы как правило обозначались номерами, соответствующими числу пинов (ножек) процессора. 59 59
Процессоры Сокеты Intel n Socket 1 — Intel 80486. n Socket 2 — Intel 80486. n Socket 3 — Intel 80486. n Socket 4 — Pentium (ранние версии). n Socket 5 — Pentium, AMD K 5, IDT Win. Chip C 6, Win. Chip 2, Cyrix/IBM/TI M 1/6 x 86 n Socket 6 — 80486 DX 4, модифицированная версия Socket 3. В реальных платах не использовался. n Socket 7 — Pentium, Pentium MMX, AMD K 6, IDT Win. Chip, Cyrix/IBM/TI 6 x 86 L, MII/6 x 86 MX n Socket 8 — Pentium Pro 60 60
Процессоры Сокеты Intel n Socket 370 — Pentium III, Celeron, Cyrix III, VIA C 3 n Socket 423 — Pentium 4 и Celeron, ядро Willamette n Socket 478 — Pentium 4 и Celeron, ядра Willamette, Northwood, Prescott n Socket 479 — Pentium M и Celeron M, ядра Banias и Dothan n Socket 480 — Xeon DP, ядро Sossaman n Socket 603/604 — Xeon, ядра Willamette и Northwood n PAC 418 — Itanium n PAC 611 — Itanium 2, HP PA-RISC 8800 и 8900 n Socket B (LGA 1366) — Core i 7 с интегрированным трехканальным контроллером памяти и соединением Quick. Path 61 61
Процессоры Сокеты Intel n Socket H (LGA 1156) — Core i 7/Core i 5/Core i 3. n Socket H (LGA 715) — замена Socket T (LGA 775) n Socket J (LGA 771) — Intel Xeon серий 50 xx, 51 xx (ядра Dempsey и Woodcrest), 53 xx (ядро Clovertown), 54 xx (ядро Harpertown) n Socket M — Core Solo, Core Duo и Core 2 Duo n Socket N — Dual-Core Xeon LV n Socket P — замена Socket 479 и Socket M n Socket T (LGA 775) — Intel Pentium 4, Pentium D, Celeron D, Pentium EE, Core 2 Duo, Core 2 Extreme, Celeron, Xeon серии 3000, Core 2 Quad (ядра Northwood, Prescott, Conroe, Kentsfield, Allendale и Cedar Mill) 62 62
Процессоры Сокеты AMD n Super Socket 7 — AMD K 6 -2, AMD K 6 -2+, AMD K 6 -III, Rise m. P 6, Cyrix MII/6 x 86 MX n Socket A (Socket 462) — K 7 (Athlon, Athlon XP, Sempron, Duron) n Socket 563 — Athlon XP-M с низким потреблением энергии n Socket 754 — Athlon 64 нижнего уровня и Sempron с поддержкой только одноканального режима работы с памятью типа DDR n Socket 939 — Athlon 64 и Athlon 64 FX с поддержкой двухканального режима работы с памятью типа DDR n Socket 940 — Opteron и ранние Athlon FX; от Socket 939 отличается одной «ногой» , которая используется для контроля правильности прочитанных данных из памяти (ECC) 63 63
Процессоры Сокеты AMD n Socket AM 2 — 940 контактов, но не совместим с Socket 940; с поддержкой памяти типа DDR 2 n Socket AM 2+ — замена для Socket AM 2, прямая и обратная совместимость с сокетом AM 2 для всех планируемых материнских плат и процессоров n Socket AM 3 — замена для Socket AM 2+; с поддержкой памяти типа DDR 3 n Socket F (Socket 1207) — Opteron n Socket F+ (Socket 1207+) — серверные Opteron с поддержкой шины Hyper. Transport 3. 0 для соединения между процессорами n Socket S 1 — Mobile Sempron 64 64
Процессоры Сокеты AMD n Socket AM 2 — 940 контактов, но не совместим с Socket 940; с поддержкой памяти типа DDR 2 n Socket AM 2+ — замена для Socket AM 2, прямая и обратная совместимость с сокетом AM 2 для всех планируемых материнских плат и процессоров n Socket AM 3 — замена для Socket AM 2+; с поддержкой памяти типа DDR 3 n Socket F (Socket 1207) — Opteron n Socket F+ (Socket 1207+) — серверные Opteron с поддержкой шины Hyper. Transport 3. 0 для соединения между процессорами n Socket S 1 — Mobile Sempron 65 65
Процессоры Слоты Intel n Slot 1 — Pentium II, первые Pentium III, Celeron (233 MHz — 1, 13 GHz) n Slot 2 — Pentium II Xeon, Pentium III Xeon Слоты AMD n Slot A — первые Athlon на ядре K 7. Механически (но не электрически) совместим со Slot 1 n Slot B — DEC Alpha 66 66
Процессоры Socket T (LGA 775) 67 67
Процессоры 68 68
Процессоры Разъём Slot 1 Процессор для Slot 1 69 69
Архитектура набора команд (англ. instruction set architecture, ISA) — часть архитектуры компьютера, определяющая программируемую часть ядра микропроцессора. На этом уровне определяются реализованные в микропроцессоре конкретного типа: n архитектура памяти, n взаимодействие с внешними устройствами ввода/ вывода, n режимы адресации, n регистры, n машинные команды, n различные типы внутренних данных (например, с плавающей запятой, целочисленные типы и т. д. ), n обработчики прерываний и исключительных состояний. 70 70
Архитектура набора команд на базе Intel n n n IA-32 предназначена для выполнения массовых 32 -разрядных приложения на ПК начального уровня и реализована в следующих семействах процессоров: q Intel Celeron и Intel Pentium); q процессорах Intel, использующих технологии ультранизкого напряжения питания; q Intel Core Duo. Архитектура набора команд IA-64 реализована в семействе процессоров Intel Itanium. Архитектура Intel 64 предназначена для современных ПК и серверов среднего уровня, оптимизированных для выполнения 64 -разрядных приложений. Реализована в q Intel Xeon; q Intel Core 2 Duo. 71 71
Архитектура набора команд x 86 (англ. Intel 80 x 86) — архитектура процессора c одноименным набором команд, впервые реализованная в процессорах компании Intel. Название образованно от двух цифр, которыми заканчивались названия процессоров Intel ранних моделей — 8086, 80186, 80286 (i 286), 80386 (i 386), 80486 (i 486). За время своего существования набор команд постоянно расширялся, сохраняя совместимость с предыдущими поколениями. Помимо Intel, архитектура также была реализована в процессорах других производителей: AMD, VIA, Transmeta, Win. Chip и др. В настоящее время для этой архитектуры существует еще одно название — IA-32 (Intel Architecture — 32). 72 72
Архитектура набора команд x 86 -64 (также x 64/AMD 64/Intel 64/EM 64 T) — 64 -битная аппаратная платформа: чипсет, архитектура микропроцессора и команд, разработанные компанией AMD для выполнения 64 разрядных приложений. Набор команд x 86 -64 в настоящее время поддержан: n AMD — процессорами Athlon 64, Athlon 64 FX, Athlon 64 X 2, Athlon II, Phenom II, Turion 64, Opteron, последними моделями Sempron n Intel (с незначительными дополнениями) под названием «Intel 64» (ранее известные как «EM 64 T» и «IA-32 e» ) в поздних моделях процессоров Pentium 4, а также в Pentium D, Pentium Extreme Edition, Celeron D, Core 2 Duo, Core 2 Quad, Core i 3, Core i 5, Core i 7, Atom и Xeon. 73 73
Основные блоки ЦП n n n n УР – управляющие регистры УУ – устройства управления ПЗУ – постоянное запоминающее устройство АЛУ – арифметико-логическое устройство РП – регистровая память КЭШ-память ИБ – интерфейсный блок кафедра ЮНЕСКО по НИТ 74
Регистр ЦП Регистр процессора — сверхбыстрая память внутри процессора, предназначенная прежде всего для хранения промежуточных результатов вычисления (регистр общего назначения/регистр данных) или содержащая данные, необходимые для работы процессора — смещения базовых таблиц, уровни доступа и т. д. (специальные регистры). Доступ к значениям, хранящимся в регистрах как правило в несколько раз быстрее, чем доступ к ячейкам оперативной памяти (даже если кеш-память содержит нужные данные), но объём оперативной памяти намного превосходит суммарный объём регистров (объём среднего модуля оперативной памяти сегодня составляет 1 Гб — 4 Гб, суммарная «ёмкость» регистров общего назначения/данных для процессора Intel 80 x 86 16 битов * 4 = 64 бита (8 байт)). кафедра ЮНЕСКО по НИТ 75 75
• УР • УУ Блок УУ: • ПЗУ • АЛУ n вырабатывает последовательность управляющих • РП символов, инициирующих выполнение соответствующих • КЭШ микрокоманд • ИБ n координирует функционирование всех устройств ЭВМ Основные блоки ЦП (блок УУ) посредством пересылки сигналов n Отвечает за обмен данными ЦП между ОП, за хранение и обработку информации, тестирование и диагностику блоков УУ целесообразно рассматривать как отдельный блок ЦП, хотя на практике большинство управляющих схем распределены по всей ЭВМ. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 76 76
• УР • УУ n Блок УР предназначен для временного хранения ПЗУ • управляющей информации и содержит регистры и АЛУ • счетчики. • РП • n Регистры состояния ЦП, счетчик команд, регистр КЭШ • запроса прерываний. УР включают управляющие ИБ триггеры, фиксирующие режим работы ЦП. Пример: регистром состояния ЦП служит слово состояния программы (ССП). n Счетчик команд (СК) представляет собой регистр, хранящий в ОП адрес выполняемой команды, регистр команд содержит выполняемую команду. Основные блоки ЦП (блок УР) кафедра ЮНЕСКО по НИТ 77 77
• УР • УУ • ПЗУ Блок РП содержит регистры сверх ОП небольшого объема, позволяющего повысить быстродействие • АЛУ и • РП логические возможности ЦП. • КЭШ Эти регистры используются в командах путем • ИБ сокращенной регистровой адресации. РП выполняются в виде быстродействующих полупроводниковых интегральных ЗУ. Основные блоки ЦП (блок РП) n n n кафедра ЮНЕСКО по НИТ 78 78
• УР • УУ Блок АЛУ служит для выполнения арифметических • ПЗУ операций над данными, поступающими из ОП • АЛУ и хранящихся в РП. • РП • КЭШ • ИБ Блок АЛУ работает под управлением УУ. Основные блоки ЦП (блок АЛУ) n n n АЛУ выполняет операции над бинарными числами, производит обработку символьной информации. n Логические операции производятся над отдельными битами, байтами и последовательностями. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 79 79
• УР • УУ n В общем случае обрабатываемая информация состоит • ПЗУ из слов, содержащих фиксированное число битов • АЛУ • РП (В этом случае АЛУ должно иметь возможность производить • КЭШ операции над n-битными словами). • ИБ n Операнды поступают в ОП на регистры АЛУ, а устройство управления указывает операцию, которую необходимо над ними произвести. n Результат каждой арифметической операции сохраняется в специальном регистре сумматоре, который является основным регистром в АЛУ. Некоторые ЭВМ имеют несколько сумматоров. Если их более 4 -х, то они выделяются в специальную группу регистров общего назначения. Основные блоки ЦП (блок АЛУ) (2) кафедра ЮНЕСКО по НИТ 80 80
Основные блоки ЦП (КЭШ) КЭШ-память представляет собой быструю буферную память. кафедра ЮНЕСКО по НИТ • УР • УУ • ПЗУ • АЛУ • РП • КЭШ • ИБ 81 81
• УР • УУ ИБ обеспечивает обмен информацией ЦП с ОП, а • ПЗУ также связь ЦП с периферийными устройствами и • АЛУ другими внешними устройствами. • РП ИБ содержит два регистра, обеспечивающих связь с • КЭШ ОП регистр адреса памяти (РАП) и регистр данных • ИБ памяти (РДП). РАП используется для хранения адреса ячейки ОП, с которой производится обмен данными, а РДП содержит данными обмена. Основные блоки ЦП (блок ИБ) n n n кафедра ЮНЕСКО по НИТ 82 82
• УР • УУ Блок контроля и диагностики (БКД) предназначен: • ПЗУ • АЛУ q для обнаружения сбоев, • РП q восстановление работы текущей программы после • КЭШ сбоя, • ИБ q локализации неисправностей при отказах. Основные блоки ЦП (блок БКД) кафедра ЮНЕСКО по НИТ 83 83
• УР • УУ ОП – основная память. • ПЗУ РАП - регистр адреса памяти. Этот регистр участвует • АЛУ во всех обращениях к основной памяти. Он содержит • РП адрес ячейки памяти, к которой производится • КЭШ • ИБ обращение для чтения или записи. РДП - Регистр данных памяти. Этот регистр также участвует во всех обращениях к основной памяти. Он содержит данные, которые записываются, или принимает данные, которые считываются из ячейки основной памяти, указанной в РАП. СК - счетчик команд. Обозначения n n кафедра ЮНЕСКО по НИТ 84 84
Общая схема выполнения программы процессором СК ОП РАП РДП АЛУ кафедра ЮНЕСКО по НИТ 85 85
Общая схема выполнения программы процессором 1. 2. 3. 4. 5. В СК записывается адрес первой команды выполняемой программы. Содержимое СК переписывается в РАП В ОП посылается сигнальное управление считыванием команды через некоторое время, адресуемое слово извлекается из ОП и загружается в РДП. Содержимое РДП пересылается в СК. Команда готова к декодированию и выполнению. Если команды содержит операцию, которая должна быть выполнена АЛУ, то необходимо получить требуемые операнды. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 86 86
Обмен данными с внешними устройствами n n Помимо передачи данных между ОП и ЦП необходимо обеспечивать обмен данными с ВУ, что делают команды управляющие вводом/выводом. Естественный порядок выполнения программы может нарушаться при поступлении сигнала прерывания. Прерывание является требованием на обслуживание, которые выполняет ЦП, выполняя соответствующую программу обработки прерываний. Так как прерывание и его обработка могут изменить внутренние состояние ЦП, то оно сохраняется в ОП перед началом работы программы обработки прерываний. Сохранение состояния ЦП достигается пересылкой содержимого регистров и управляющей информации. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 87 87
Внутренняя память кафедра ЮНЕСКО по НИТ 88
Устройство памяти Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов — битов, объединенных в группы по 8 битов, которые называются байтами. Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом. Байты могут объединяться в ячейки, которые называются также словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова — два, четыре или восемь байтов. Как правило, в одном машинном слове может быть представлено либо одно целое число, либо одна команда. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 89 89
Устройство памяти Разбиение памяти на слова для компьютеров представлено в таблице четырехбайтовых Широко используются и более крупные производные единицы объема памяти: Килобайт, Мегабайт, Гигабайт, а также, в последнее время, Терабайт и Петабайт. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 90 90
Состав памяти В состав внутренней памяти входят: n оперативная память n кэш-память n специальная память. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 91
Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory — память с произвольным доступом) — это быстрое запоминающее устройство не очень большого объёма, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами. Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, так как, когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой — это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 92 92
ОЗУ Существует два типа ОЗУ (оперативное запоминающее устройство): статическое и динамическое. Статическое ОЗУ (Static Random Access Memory, SRAM). Информация в ОЗУ сохраняется на протяжении всего времени, пока к нему подается питание. Статическое ОЗУ работает очень быстро. Обычно время доступа составляет несколько наносекунд. По этой причине статическое ОЗУ часто используется в качестве кэш-памяти второго уровня. 93
ОЗУ Динамическое ОЗУ (Dynamic Random Access Memory, DRAM) представляет собой массив ячеек, каждая из которых содержит транзистор и крошечный конденсатор. Конденсаторы могут быть заряженными и разряженными, что позволяет хранить нули и единицы. Поскольку электрический заряд имеет тенденцию исчезать, каждый бит в динамическом ОЗУ должен обновляться (перезаряжаться) каждые несколько миллисекунд, чтобы предотвратить утечку данных. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh Memory). 94
ОЗУ Поскольку динамическому ОЗУ нужен только 1 транзистор и 1 конденсатор на бит (статическому ОЗУ требуется в лучшем случае 6 транзисторов на бит), динамическое ОЗУ имеет очень высокую плотность записи (много битов на одну микросхему). По этой причине основная память почти всегда строится на основе динамических ОЗУ. Однако динамические ОЗУ работают очень медленно (время доступа занимает десятки наносекунд). Таким образом, сочетание кэш-памяти на основе статического ОЗУ и основной памяти на основе динамического ОЗУ соединяет в себе преимущества обоих устройств. 95
Оперативная память Типы памяти: n FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM) – быстрая страничная память. n EDO DRAM (Extended Data Out) – память с совершенствованным выходом. n BEDO RAM(Burst EDO RAM). n SDRAM (Synchronous DRAM) – синхронная DRAM. n DDR SDRAM – Double Data Rate SDRAM (SDRAM удвоенной скорости передачи данных). n DDR 2 SDRAM. n DDR 3 SDRAM. n DDR 4 SDRAM. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 96 96
Оперативная память Память типа DRAM конструктивно выполняют и в виде отдельных микросхем в виде модулей памяти типа: n SIPP (Single In-line Pin Package), n SIMM (Single In-line Memory Module – модуль памяти, имеющий выводы с одной стороны), n DIMM Модули типа DIMM (Dual In-line Memory Module – модуль памяти, у которого выводы расположены с двух сторон), n SO-DIMM (Small outline DIMM) — аналоги модулей DIMM в компактном исполнении для экономии места. n RIMM (Rambus In-line Memory Module). кафедра ЮНЕСКО по НИТ 97 97
Конструктивные исполнения памяти DRAM Сверху вниз: DIP, SIPP, SIMM (30 -контактный), SIMM (72 -контактный), DIMM (168 -контактный), DIMM (184 -контактный, DDR) 98
Оперативная память Микросхемы памяти RIMM (сверху) и DIMM (снизу) кафедра ЮНЕСКО по НИТ 99 99
Конструктивные исполнения памяти DRAM модуль SDRAM в 72 -контактном корпусе SO-DIMM
Оперативная память Модули памяти характеризуются следующими параметрами: n объем — (например, 512 Мбайт), n число микросхем, n паспортная частота (например, 133 МГц), n время доступа к данным (например, 7 наносекунд) n число контактов (например, 72, 168 или 184). кафедра ЮНЕСКО по НИТ 101
Кэш-память Кэш (англ. cache), или сверхоперативная память — очень быстрое ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью. Кэш-памятью управляет специальное устройство — контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. Возможны как "попадания", так и "промахи". Их соотношение определяет эффективность кэширования. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 102
Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти SRAM (Static RAM), более быстродействующих, дорогих и малоёмких, чем DRAM (SDRAM). Современные микропроцессоры имеют встроенную кэшпамять, так называемый кэш первого уровня размером 8, 16 или 32 Кбайт. Кроме того, на системной плате компьютера может быть установлен кэш второго уровня ёмкостью 256, 512 Кбайт и выше. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 103
Специальная память К устройствам специальной памяти относятся: n постоянная память (ROM), n перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory), n память CMOS RAM n видеопамять, n некоторые другие виды памяти. Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory — память только для чтения) — энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом "зашивается" в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 104
Специальная память Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) — энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого. Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств. Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти — модуль BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода) — совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 105
Специальная память Разновидность постоянного ЗУ — CMOS RAM — это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы. Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS (англ. Set-up — устанавливать, читается "сетап"). Видеопамять (VRAM) — разновидность оперативного ЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам — процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 106
Специальная память Интегральные схемы BIOS и CMOS Setup кафедра ЮНЕСКО по НИТ 107
Внешняя память кафедра ЮНЕСКО по НИТ 108
Специальная память Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения программ и данных, и целостность её содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер. В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором. В состав внешней памяти компьютера входят: n накопители на жёстких магнитных дисках; n накопители на гибких магнитных дисках; n накопители на компакт-дисках; n накопители на магнито-оптических компакт-дисках; n накопители на магнитной ленте (стримеры) и др. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 109
Накопители на гибких магнитных дисках Дискета устанавливается в накопитель на гибких магнитных дисках (англ. floppy-disk drive), автоматически в нем фиксируется, после чего механизм накопителя раскручивается до частоты вращения 360 мин-1. В накопителе вращается сама дискета, магнитные головки остаются неподвижными. Дискета вращается только при обращении к ней. Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков. Поверхность магнитного диска кафедра ЮНЕСКО по НИТ Устройство дискеты 110
Накопители на жестких магнитных дисках Накопитель на жёстких магнитных дисках (англ. HDD — Hard Disk Drive) — это наиболее массовое запоминающее устройство большой ёмкости, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые пластины — платтеры, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Используется для постоянного хранения информации — программ и данных. Как и у дискеты, рабочие поверхности платтеров разделены на кольцевые концентрические дорожки, а дорожки — на секторы. Головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками заключены в герметически закрытый корпус, называемый модулем данных. При установке модуля данных на дисковод он автоматически соединяется с системой, подкачивающей очищенный охлажденный воздух. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 111
Накопители на жестких магнитных дисках Поверхность платтера имеет магнитное покрытие толщиной всего лишь в 1, 1 мкм, а также слой смазки для предохранения головки от повреждения при опускании и подъёме на ходу. При вращении платтера над ним образуется воздушный слой, который обеспечивает воздушную подушку для зависания головки на высоте 0, 5 мкм над поверхностью диска. Винчестерские накопители имеют большую ёмкость. Скорость вращения шпинделя (вращающего вала) обычно составляет 7200 об/мин, среднее время поиска данных 9 мс, средняя скорость передачи данных до 60 Мбайт/с. В отличие от дискеты, жесткий диск вращается непрерывно. Все современные накопители снабжаются встроенным кэшем, повышающим их производительность. Винчестер связан с процессором через контроллер жесткого диска. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 112
Накопители на жестких магнитных дисках Жесткий диск со снятой крышкой корпуса кафедра ЮНЕСКО по НИТ 113
Накопители на жестких магнитных дисках IDE SATA кафедра ЮНЕСКО по НИТ 114
Накопители на жестких магнитных дисках Устройство жесткого диска кафедра ЮНЕСКО по НИТ 115
Накопители на компакт-дисках Носителем информации является CD-ROM (Сompact Disk Read. Only Memory - компакт диск, из которого можно только читать). CD-ROM представляет собой прозрачный полимерный диск диаметром 12 см и толщиной 1, 2 мм, на одну сторону которого напылен светоотражающий слой алюминия, защищенный от повреждений слоем прозрачного лака. Толщина напыления составляет несколько десятитысячных долей миллиметра. CD-диск Накопитель CD-ROM кафедра ЮНЕСКО по НИТ 116
Накопители на компакт-дисках Информация на диске представляется в виде последовательности впадин (углублений в диске) и выступов (их уровень соответствует поверхности диска), расположеных на спиральной дорожке, выходящей из области вблизи оси диска. На каждом дюйме (2, 54 см) по радиусу диска размещается 16 тысяч витков спиральной дорожки. Для сравнения — на поверхности жесткого диска на дюйме по радиусу помещается лишь несколько сотен дорожек. Емкость CD достигает 780 Мбайт. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 117
Накопители на компакт-дисках Для работы с CD-ROM нужно подключить к компьютеру накопитель CD-ROM, преобразующий последовательность углублений и выступов на поверхности CD-ROM в последовательность двоичных сигналов. Для этого используется считывающая головка с микролазером и светодиодом. Глубина впадин на поверхности диска равна четверти длины волны лазерного света. Если в двух последовательных тактах считывания информации луч света лазерной головки переходит с выступа на дно впадины или обратно, разность длин путей света в этих тактах меняется на полуволну, что вызывает усиление или ослабление совместно попадающих на светодиод прямого и отраженного от диска света. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 118
Накопители на компакт-дисках Основные типы накопителей на компакт дисках: n СD-R/RW n Минидиск (MD) - магнито-оптический носитель информации. n DVD-R/RW - цифровой многоцелевой диск (1 сторонний однослойный 4, 7 Гб). n HD DVD - технология записи оптических дисков, использует диски стандартного размера и голубой лазер с длиной волны 405 нм. Однослойный диск HD DVD имеет ёмкость 15 GB, двухслойный — 30 GB. n DVD-Audio - созданный специально для высококачественного воспроизведения звуковой информации. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 119
Накопители на компакт-дисках n n n Blu-ray Disc (BD) - формат оптического носителя, используемый для записи и хранения цифровых данных, включая видео высокой чёткости с повышенной плотностью. Однослойный диск Blu-ray (BD) может хранить 33 Гб, двухслойный диск - 66 Гб. HD VMD - на одной стороне диска помещает до 5 Гб данных, но за счёт того, что диски являются многослойными (до 20 слоёв) их ёмкость достигает 100 Гб. Ultra Density Optical (UDO) - представляет собой картридж 5. 25” с оптическим диском внутри. Объём диска на данный момент составляет от 60 Гб до 120 Гб. Для записи может использоваться как красный лазер (650 нм), так и синефиолетовый (405 нм), причем во втором случае максимальный объем диска может достигать 500 Гб. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 120
Накопители на магнитной ленте Стример (англ. tape streamer) — устройство для резервного копирования больших объёмов информации. В качестве носителя здесь применяются кассеты с магнитной лентой ёмкостью 1 — 2 Гбайта и больше. Стримеры позволяют записать на небольшую кассету с магнитной лентой огромное количество информации. Встроенные в стример средства аппаратного сжатия позволяют автоматически уплотнять информацию перед её записью и восстанавливать после считывания, что увеличивает объём сохраняемой информации. Недостатком стримеров является их сравнительно низкая скорость записи, поиска и считывания информации. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 121
Накопители на магнитной ленте В последнее время всё шире используются накопители на сменных дисках, которые позволяют не только увеличивать объём хранимой информации, но и переносить информацию между компьютерами. Объём сменных дисков — от сотен Мбайт до нескольких Гигабайт. стример LTO-3, появившийся в 2005 году, увеличил ёмкость и скорость до 400 Гбайт и 80 Мбайт/с. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 122
Иерархическая структура памяти Регистры Кэш-пямять Основная память Магнитный диск Ленточный носитель Оптический диск
Аудиоадаптер кафедра ЮНЕСКО по НИТ 124
Аудиоадаптер (*) Аудиоадаптер (Sound Blaster или звуковая плата) это специальная электронная плата, которая позволяет записывать звук, воспроизводить его и создавать программными средствами с помощью микрофона, наушников, динамиков, встроенного синтезатора и другого оборудования. Аудиоадаптер содержит в себе два преобразователя информации: n аналого-цифровой, который преобразует непрерывные (то есть, аналоговые) звуковые сигналы (речь, музыку, шум) в цифровой двоичный код и записывает его на магнитный носитель; n цифро-аналоговый, выполняющий обратное преобразование сохранённого в цифровом виде звука в аналоговый сигнал, который затем воспроизводится с помощью акустической системы, синтезатора звука или наушников. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 125
Видеоадаптер кафедра ЮНЕСКО по НИТ 126
Видеоадаптер (*) Видеоадаптер — это электронная плата, которая обрабатывает видеоданные (текст и графику) и управляет работой дисплея. Содержит видеопамять, регистры ввода вывода и модуль BIOS. Посылает в дисплей сигналы управления яркостью лучей и сигналы развертки изображения. Основные параметры адаптера отображаемое разрешение экрана при заданном количестве цветов. Например, адаптер SVGA (Super Video Graphics Array — супервидеографический массив), может отображать на экране дисплея 1280 х1024 пикселей при 256 цветах и 1024 х768 пикселей при 16 миллионах цветов. Слоты: n ISA n PCI n AGP 1 х, 2 х, 4 x, 8 x n PCI Express кафедра ЮНЕСКО по НИТ 127
Видеоадаптер Видеокарта семейства ATI Radeon Видеокарта семейства Ge. Force 4 кафедра ЮНЕСКО по НИТ 128
Клавиатура кафедра ЮНЕСКО по НИТ 129
Клавиатура компьютера — устройство для ввода информации в компьютер и подачи управляющих сигналов. Содержит стандартный набор клавиш печатной машинки и некоторые дополнительные клавиши — управляющие и функциональные клавиши, клавиши управления курсором и малую цифровую клавиатуру. Клавиатура содержит встроенный микроконтроллер, который выполняет следующие функции: n последовательно опрашивает клавиши, считывая введенный сигнал и вырабатывая двоичный скан-код клавиши; n управляет световыми индикаторами клавиатуры; n проводит внутреннюю диагностику неисправностей; n осуществляет взаимодействие с центральным процессором через порт ввода-вывода клавиатуры. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 130
Клавиатура (*) Клавиатура имеет встроенный буфер — промежуточную память малого размера, куда помещаются введённые символы. В случае переполнения буфера нажатие клавиши будет сопровождаться звуковым сигналом — это означает, что символ не введён (отвергнут). Работу клавиатуры поддерживают специальные программы, "зашитые" в BIOS, а также драйвер клавиатуры, который обеспечивает возможность ввода русских букв, управление скоростью работы клавиатуры и др. Разъемы: n USB n PS/2 кафедра ЮНЕСКО по НИТ 131
Клавиатура кафедра ЮНЕСКО по НИТ 132
Видеосистема кафедра ЮНЕСКО по НИТ 133
Видеосистема компьютера состоит из трех компонент: n монитор (называемый также дисплеем); n видеоадаптер; n программное обеспечение (драйверы видеосистемы). Видеоадаптер посылает в монитор сигналы управления яркостью лучей и синхросигналы строчной и кадровой развёрток. Монитор преобразует эти сигналы в зрительные образы. А программные средства обрабатывают видеоизображения — выполняют кодирование и декодирование сигналов, координатные преобразования, сжатие изображений и др. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 134
Монитор на базе электронно-лучевой трубки Монитор — устройство визуального отображения информации (в виде текста, таблиц, рисунков, чертежей и др. ). Основной элемент дисплея — электронно-лучевая трубка. Её передняя, обращенная к зрителю часть с внутренней стороны покрыта люминофором — специальным веществом, способным излучать свет при попадании на него быстрых электронов. Монитор Схема электронно-лучевой трубки кафедра ЮНЕСКО по НИТ 135
Монитор на базе электронно-лучевой трубки Люминофор наносится в виде наборов точек трёх основных цветов — красного, зелёного и синего. Эти цвета называют основными, потому что их сочетаниями (в различных пропорциях) можно представить любой цвет спектра (RGB). Пиксельные триады Наборы точек люминофора располагаются по треугольным триадам. Триада образует пиксел — точку, из которых формируется изображение (англ. pixel — picture element, элемент картинки). Расстояние между центрами пикселов называется точечным шагом монитора. Это расстояние существенно влияет на чёткость изображения. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 136
Монитор на базе электронно-лучевой трубки Количество отображённых строк в секунду называется строчной частотой развертки. А частота, с которой меняются кадры изображения, называется кадровой частотой развёртки. Последняя не должна быть ниже 85 Гц, иначе изображение будет мерцать. Разъемы (*): n VGA-разъем (D-Sub) n HDMI n DIVI-D кафедра ЮНЕСКО по НИТ 137
Монитор (3 и 4 - выходы на динамики (HDMI), 5 - D-SUB, 6 - компонентный вход, 7 - Display. Port, 8 - HDMI, 9 - порты DVI-D, 10/11 - TV-входы) кафедра ЮНЕСКО по НИТ 138
Жидкокристаллические мониторы Жидкие кристаллы — это особое состояние некоторых органических веществ, в котором они обладают текучестью и свойством образовывать пространственные структуры, подобные кристаллическим. Жидкие кристаллы могут изменять свою структуру и светооптические свойства под действием электрического напряжения. Меняя с помощью электрического поля ориентацию групп кристаллов и используя введённые в жидкокристаллический раствор вещества, способные излучать свет под воздействием электрического поля, можно создать высококачественные изображения, передающие более 15 миллионов цветовых оттенков. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 139
Основные принципы работы ЖК монитора кафедра ЮНЕСКО по НИТ 140
Основные принципы работы ЖК монитора Субпиксел цветного ЖК-дисплея 141
Основные принципы работы ЖК монитора Фрагмент матрицы ЖК монитора (0, 78× 0, 78 мм), увеличенный в 46 раз. 142
Основные принципы работы ЖК монитора Макрофотография типичной жк-матрицы. В центре можно увидеть два дефектных субпикселя (зелёный и синий). 143
Жидкокристаллические мониторы Большинство ЖК-мониторов использует тонкую плёнку из жидких кристаллов, помещённую между двумя стеклянными пластинами. Заряды передаются через так называемую пассивную матрицу — сетку невидимых нитей, горизонтальных и вертикальных, создавая в месте пересечения нитей точку изображения (несколько размытого из-за того, что заряды проникают в соседние области жидкости). Активные матрицы вместо нитей используют прозрачный экран из транзисторов и обеспечивают яркое, практически не имеющее искажений изображение. Экран при этом разделен на независимые ячейки, каждая из которых состоит из четырех частей (для трёх основных цветов и одна резервная). Количество таких ячеек по широте и высоте экрана называют разрешением экрана. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 144
ЖК против ЭЛТ: краткое сравнение ЖК ЭЛТ Яркость (+) от 170 до 300 кд/м 2 (~) от 80 до 120 кд/м 2 Контрастность (-) от 150: 1 до 450: 1 (+) от 350: 1 до 700: 1 Угол обзора (~) от 90° до 170° (+) более 150° Дефекты сведения (+) нет (~) от 0. 0079 до 0. 0118" (от 0. 20 до 0. 30 мм) Фокусировка (+) очень хорошая (~) от приемлемой до очень хорошей Геометрия (+) безупречна (~) возможны ошибки "Мертвые" пиксели (-) до 8 (+) нет Входной сигнал (+) аналоговый или цифровой (~) только аналоговый 145
ЖК против ЭЛТ: краткое сравнение ЖК ЭЛТ Возможные разрешения (-) жестко фиксированное разрешение (+) множество Однообразность (~) часто светлее по краям (~) часто светлее в центре Чистота цвета, качество цвета (-) от плохого к среднему (+) очень хорошая Мерцание (+) нет (~) незаметно при частоте обновления более 85 Гц Подверженность влиянию магнитных полей (+) не подвержен (-) зависит от экранирования, может быть сильно подвержен Время реакции пикселей (-) от 20 до 50 мс (+) не заметно Энергопотребление (+) от 25 до 40 Вт (-) от 60 до 160 Вт Габариты (+) минимальны (-)большие габариты 146
Жидкокристаллические мониторы кафедра ЮНЕСКО по НИТ 147
Принтер, плоттер, сканер кафедра ЮНЕСКО по НИТ 148
Принтер — печатающее устройство. Осуществляет вывод из компьютера закодированной информации в виде печатных копий текста или графики. Основных видов принтеров: n Матричные принтеры используют комбинации маленьких штырьков, которые бьют по красящей ленте, благодаря чему на бумаге остаётся отпечаток символа. Каждый символ, печатаемый на принтере, формируется из набора 9, 18 или 24 игл, сформированных в виде вертикальной колонки. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 149
Принтер Основных видов принтеров: n Струйные принтеры генерируют символы в виде последовательности чернильных точек. Печатающая головка принтера имеет крошечные сопла, через которые на страницу выбрызгиваются быстросохнущие чернила. Эти принтеры требовательны к качеству бумаги. Цветные струйные принтеры создают цвета, комбинируя чернила четырех основных цветов — ярко-голубого, пурпурного, желтого и черного. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 150
Принтер Основных видов принтеров: n Лазерные принтеры работают примерно так же, как ксероксы. Компьютер формирует в своей памяти "образ" страницы текста и передает его принтеру. Информация о странице проецируется с помощью лазерного луча на вращающийся барабан со светочувствительным покрытием, меняющим электрические свойства в зависимости от освещённости. После засветки на барабан, находящийся под электрическим напряжением, наносится красящий порошок — тонер, частицы которого налипают на засвеченные участки поверхности барабана. Принтер с помощью специального горячего валика протягивает бумагу под барабаном; тонер переносится на бумагу и "вплавляется" в неё, оставляя стойкое высококачественное изображение. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 151
Принтер связан с компьютером посредством кабеля принтера, один конец которого вставляется своим разъёмом в гнездо принтера, а другой — в порт принтера компьютера. Порт — это разъём, через который можно соединить процессор компьютера с внешним устройством. Каждый принтер обязательно имеет свой драйвер — программу, которая способна переводить (транслировать) стандартные команды печати компьютера в специальные команды, требующиеся для каждого принтера. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 152
Принтер Матричный принтер Струйный принтер Лазерный принтер кафедра ЮНЕСКО по НИТ 153
Плоттер (графопостроитель) — устройство, которое чертит графики, рисунки или диаграммы под управлением компьютера. Плоттеры используются для получения сложных конструкторских чертежей, архитектурных планов, географических и метеорологических карт, деловых схем. Плоттеры рисуют изображения с помощью пера. Роликовые плоттеры прокручивают бумагу под пером, а планшетные плоттеры перемещают перо через всю поверхность горизонтально лежащей бумаги. Плоттеру, так же, как и принтеру, обязательно нужна специальная программа — драйвер, позволяющая прикладным программам передавать ему инструкции: поднять и опустить перо, провести линию заданной толщины и т. п. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 154
Плоттер Планшетный плоттер Роликовый плоттер кафедра ЮНЕСКО по НИТ 155
Сканер — устройство для ввода в компьютер графических изображений. Создает оцифрованное изображение документа и помещает его в память компьютера. Существуют ручные сканеры, которые прокатывают по поверхности документа рукой, и планшетные сканеры, по внешнему виду напоминающие копировальные машины. Если при помощи сканера вводится текст, компьютер воспринимает его как картинку, а не как последовательность символов. Для преобразования такого графического текста в обычный символьный формат используют программы оптического распознавания образов. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 156
Сканер Планшетный сканер Ручной сканер кафедра ЮНЕСКО по НИТ 157
Модем и факс-модем кафедра ЮНЕСКО по НИТ 158
Модем — устройство для передачи компьютерных данных на большие расстояния по телефонным линиям связи. Цифровые сигналы, вырабатываемые компьютером, нельзя напрямую передавать по телефонной сети, потому что она предназначена для передачи человеческой речи — непрерывных сигналов звуковой частоты. Модем обеспечивает преобразование цифровых сигналов компьютера в переменный ток частоты звукового диапазона — этот процесс называется модуляцией, а также обратное преобразование, которое называется демодуляцией. Отсюда название устройства: модем — модулятор/демодулятор. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 159
Модем Для осуществления связи один модем вызывает другой по номеру телефона, а тот отвечает. Затем модемы посылают другу сигналы, согласуя подходящий им обоим режим связи. После этого передающий модем начинает посылать модулированные данные с согласованными скоростью (количеством бит в секунду) и форматом. Модем на другом конце преобразует полученную информацию в цифровой вид и передает её своему компьютеру. Закончив сеанс связи, модем отключается от линии. Управление модемом осуществляется с помощью специального коммутационного программного обеспечения. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 160
Факс — это устройство факсимильной передачи изображения по телефонной сети. Название "факс" произошло от слова "факсимиле" (лат. fac simile — сделай подобное), означающее точное воспроизведение графического оригинала (подписи, документа и т. д. ) средствами печати. Модем, который может передавать и получать данные как факс, называется факсмодемом. Внешний модем Факс кафедра ЮНЕСКО по НИТ 161
Манипуляторы кафедра ЮНЕСКО по НИТ 162
Манипуляторы (мышь, джойстик и др. ) — это специальные устройства, которые используются для управления курсором. Мышь имеет вид небольшой коробки, полностью умещающейся на ладони. Мышь связана с компьютером кабелем через специальный блок — адаптер, и её движения преобразуются в соответствующие перемещения курсора по экрану дисплея. В верхней части устройства расположены управляющие кнопки (обычно их три), позволяющие задавать начало и конец движения, осуществлять выбор меню и т. п. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 163
Манипуляторы Джойстик — обычно это стержень-ручка, отклонение которой от вертикального положения приводит к передвижению курсора в соответствующем направлении по экрану монитора. Часто применяется в компьютерных играх. В некоторых моделях в джойстик монтируется датчик давления. В этом случае, чем сильнее пользователь нажимает на ручку, тем быстрее движется курсор по экрану дисплея. Трекбол — небольшая коробка с шариком, встроенным в верхнюю часть корпуса. Пользователь рукой вращает шарик и перемещает, соответственно, курсор. В отличие от мыши, трекбол не требует свободного пространства около компьютера, его можно встроить в корпус машины. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 164
Манипуляторы Дигитайзер — устройство для преобразования готовых изображений (чертежей, карт) в цифровую форму. Представляет собой плоскую панель — планшет, располагаемую на столе, и специальный инструмент — перо, с помощью которого указывается позиция на планшете. При перемещении пера по планшету фиксируются его координаты в близко расположенных точках, которые затем преобразуются в компьютере в требуемые единицы измерения. кафедра ЮНЕСКО по НИТ 165
Структура персонального компьютера кафедра ЮНЕСКО по НИТ 166
Вопросы? кафедра ЮНЕСКО по НИТ 167
Скачать презентацию Архитектура ЭВМ Базовые определения Компьютер англ computer
caa34bf4ccfa94cfe48ab2311003f934.ppt