Кафедра информационных технологий Лекция 2 ТЕХНИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ

Кафедра информационных технологий Лекция № 2 ТЕХНИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ Архитектура компьютера. Назначение основных устройств Компьютер– это многофункциональное электронное устройство, предназначенное для накопления, обработки и передачи данных Под архитектурой персонального компьютера понимается его логическая организация, структура и ресурсы, т. е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени В основу построения компьютеров положены принципы, сформулированные Джоном фон Нейманом: Принцип программного управления – программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Принцип однородности памяти – команды и данные хранятся в одной и той же памяти, над командами можно выполнять те же действия, что и над данными. Принцип адресности – основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек. Лектор доц. Климова Д. Н.

Классическая архитектура компьютера Центральный процессор Арифметикологическое устройство Устройство управления Внешние устройства Запоминающее устройство Управляющие связи Информационные связи Архитектура компьютера определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера, к которым относятся: устройство управления, арифметикологическое устройство, память и устройства ввода-вывода (внешние устройства). Устройство управления предназначено для организации процесса управления программами и данными. Арифметико-логическое устройство – это устройство обработки данных. Обычно их объединяют в одно устройство – центральный процессор. Запоминающее устройство (память) – это устройство хранения программ и данных. Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена данными между устройствами компьютера. Внешняя память используется для долговременного хранения данных. Внешние устройства (устройства ввода-вывода) обеспечивают взаимодействие компьютера с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими компьютерами.

В настоящее время вычислительные системы различают прежде всего по функциональным возможностям. Весь спектр современных вычислительных систем можно разделить на три больших класса: микрокомпьютеры, мейнфреймы, суперкомпьютеры. Микрокомпьютер (персональный компьютер) предназначен для одновременной работы с одним пользователем. Отличительными признаками является шинная организация, высокая стандартизация аппаратных и программных средств, ориентация на широкий круг потребителей. правительственными учреждениями, банками. Суперкомпьютеры необходимы для работы с приложениями, требующими производительности в сотни миллиардов операций с плавающей точкой в секунду. Такие громадные объемы вычислений возникают при решении задач в аэродинамике, метеорологии, физике высоких энергий, геофизике Мейнфреймы – это универсальные, компьютеры общего назначения. Они отличаются исключительной надежностью, высоким быстродействием, большой пропускной способностью устройств ввода и вывода данных. Мейнфреймы используются крупнейшими корпорациями Работают на 64 битной серверной операционной системе. Мейнфрейм System z 9 2094 производства корпорации IBM. Модель 2005 года. Компания Крея Cray Inc. До сих пор является одним из ведущих производителей суперкомпьютеров.

Устройство компьютера Разнообразие современных компьютеров очень велико. Но их структуры основаны на общих логических принципах, позволяющих выделить в любом компьютере следующие главные устройства память - (запоминающее устройство, ЗУ), В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами. Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд) Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления. Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций. состоящую из перенумерованных ячеек; процессор включает в себя устройство , управления (УУ) и арифметико-логич устройство (АЛУ); устройство ввода ; устройство вывода. Эти устройства соединены каналамисвязипо , которым передается информация. Функции памяти: приём информации из других устройств; запоминание информации; выдача информации по запросу в другие устройства машины. Функции процессора: обработка данныхпо заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций; программное управление работой устройств компьютера.

n n Некоторые важные регистры имеют свои названия, например: сумматор— регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти; регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции , остальные — для хранения кодов адресов операндов. Команда процессора Команда — это описание элементарной операции, которую должен выполнить компьютер. В общем случае, команда содержит следующую информацию: • код выполняемой операции; • указания по определению операндов (или их адресов); • указания по размещению получаемого результата. В зависимости от количества операндов, команды бывают: • одноадресные; • двухадресные; • трехадресные; • переменноадресные. Команды хранятся в ячейках памяти в двоичном коде

Выполнение команды n n n n процесс разбивается на следующие этапы: из ячейки памяти, адрес которой хранится в счетчике команд, выбирается очередная команда; содержимое счетчика команд при этом увеличивается на длину команды; выбранная команда передается в устройство управления на регистр команд; устройство управления расшифровывает адресное поле команды; по сигналам УУ операнды считываются из памяти и записываются в АЛУ на специальные регистры операндов; УУ расшифровывает код операции и выдает в АЛУ сигнал выполнить соответствующую операцию над данными; результат операции либо остается в процессоре, либо отправляется в память, если в команде был указан адрес результата; все предыдущие этапы повторяются до достижения команды «стоп» .

Состав персонального компьютера Принцип открытой архитектуры n n В компьютер входят системный блок, клавиатура, монитор, манипулятор «мышь» . Системныйблок (system block) – основная часть стационарного компьютера, в корпусе которого размещены блок питания, материнская плата, платы расширения (видеокарта, звуковая карта и др. ), различные накопители (жесткий диск, дисководы, приводы CD-ROM, DVD-ROM) и дополнительные устройства Материнская плата (motherboard) -то сложная многослойная печатная плата на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера: центральный процессор, контроллер ОЗУ и собственно ОЗУ, загрузочное ПЗУ, контроллеры базовых интерфейсов ввода-вывода. Материнская плата содержит разъёмы для подключения дополнительных контроллеров, для подключения которых обычно используются шины USB, PCI и PCI-Express. От англ. motherboard, иногда используется сокращение MB или слово mainboard - главная плата. Сокет – место крепления (гнездо) процессора на материнской плате. Содержит контактные ножки (LGA 775, LGA 1366) или контактные отверстия (Socket AM 2+, Socket AM 3)

Форм-фактор материнской платы — стандарт, определяющий размеры материнской платы для персонального компьютера, места ее крепления к корпусу; расположение на ней интерфейсов шин, портов ввода/вывода, сокета центрального процессора (если он есть) и слотов для оперативной памяти, а также тип разъема для подключения блока питания. n n Современные: АТХ; micro. ATX; Flex-АТХ; NLX; WTX, CEB. Внедряемые: Mini-ITX и Nano-ITX; Pico-ITX; BTX, Micro. BTX и Pico. BTX 4 CMOS-память 7 COM На материнской плате располагаются: 3 -BIOS 1. центральный процессор 2. оперативная память 3. постоянная память 4. полупостоянная память с аккумулятором для ее питания 5. набор управляющих микросхем 6. системная шина с разъемами для подключения внутренних плат расширения 7. слоты для подключения интерфейсных кабелей жестких дисков, дисководов, последовательного и параллельного портов (для подключения устройств ввода-вывода), инфракрасного порта, а также универсальной последовательной шины 8. разъемы питания. Южный мост 6 FSB 2 -DDR 2 1 Северный мост 7 USB 7 SATA 2

Системная шина (FSB – Front side bus) – системная магистраль передачи данных, которая осуществляет сопряжение всех устройств компьютера между собой. Системная шина обеспечивает три направления передачи данных: 1. между микропроцессором и основной памятью; 2. между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств; 3. между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств. Порты ввода-вывода через соответствующие разъемы подключаются к системной шине либо непосредственно, либо через специальные контроллеры (адаптеры). Основной технической характеристикой системной шины является частота (количественная характеристика периодического процесса, равная числу периодов, совершаемых в единицу времени), измеряемая в герцах. Частота работы системной шины определяет частоту работы других устройств – чем выше частота системной шины, тем выше производительность всего компьютера. Частота, на которой работает центральный процессор, определяется исходя из частоты системной шины и коэффициента умножения. Каждая из вторичных шин работает на своей частоте, которая может являться производной от частоты шины FSB или задаётся независим

Архитектура современного персонального компьютера определяется схемой его чипсета (chipset)-набор микросхем, спроектированных для совместной работы с целью выполнения набора каких-либо функций. Чипсет осуществляет взаимодействие центрального процессора с оперативной памятью, портами ввода/вывода, слотами расширения. Чипсет состоит из двух частей – Северного моста (Northbridge) и Южного моста (Southbridge), которые обычно располагаются на отдельных микросхемах: n контроллер-концентратор памяти (MCH) или Северный мост обеспечивает работу процессора с памятью и видеоподсистемой; n контроллер-концентратор вводавывода (ICH) или Южный мост обеспечивает работу с внешними устройствами. Выбор типа чипсета зависит от процессора, с которым он работает, и определяет разновидности других устройств компьютера (видеокарты, винчестера и др. ). Схематическое изображение традиционного чипсета материнской платы

Идея принципа открытой архитектуры nзаключается в том, что метод сопряжения различных устройств компьютера стандартизован, известен и доступен всем желающим. Реализация этого принципа такова: на основной электронной плате (материнской) размещены только те блоки, которые осуществляют обработку данных. Схемы, управляющие всеми другими устройствами компьютера (монитором, дисками и т. д. ), реализованы на отдельных платах, которые вставляются в стандартные разъемы на материнской плате. При таком подходе к созданию компьютеров различные фирмы получили возможность разрабатывать разнообразные устройства, а пользователи – самостоятельно комплектовать нужную конфигурацию компьютеров, модернизировать и расширять их возможности по своему усмотрению. Принцип открытой архитектуры базируется на магистральном принципе обмена данными: все контроллеры устройств взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных (системную шину), которая располагается на материнской плате. Как правило, современный персональный компьютер, устроен следующим образом: микропроцессор через системную шину подключается к системному контроллеру (северный мост). Системный контроллер обычно имеет в своем составе контроллер оперативного запоминающего устройства, а также контроллеры шин, к которым подключаются периферийные устройства. К северному мосту подключаются наиболее производительные периферийные устройства, например, видеокарта с шиной PCI Express 16 x, а менее производительные устройства (микросхема BIOS, устройства с шиной PCI) подключаются к южному мосту, который соединяется с северным мостом специальной шиной. Таким образом, системная шина работает в качестве магистрального канала между процессором и чипсетом.

Микропроцессор. Структура и основные характеристики микропроцессора n. Микропроцессор – это устройство, предназначенное для выполнения арифметических и логических операций над данными и для управления работой других устройств компьютера. n. Микропроцессор реализуется в виде полупроводниковых микросхем, все элементы и межэлементные соединения которых выполнены на одном полупроводниковом кристалле (кремния, германия, арсенида галлия). n. Основным элементом микросхем является транзистор. Размеры современных транзисторов составляют от 130 до 45 нм. На одном чипе (обычно размером 1 – 2 см²) размещаются сотни миллионов транзисторов. n. На любом процессорном кристалле находятся: nядро процессора- для обработки поступающих в процессор данных n. Сопроцессор- дополнительный блок для сложных математических вычислений n. Кэш-память-буферная память накопитель для данных-коростная оперативная память, встроенная в ЦП, и являющаяся буфером между системной памятью (ОЗУ) и процессором. В кэше хранятся данные, с которыми ЦП работает в настоящий момент, вследствие чего уменьшается количество обращений CPU к оперативной памяти. Архитектура процессоров Intel 2009 -2010 изготовленных по 45 нм технологии- а новая 2011 -32 нанометровой технологии Westmere

1. 2. 3. 4. 5. Микропроцессор выполняет следующие основные функции: чтение и дешифрация команд из основной памяти; чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств; прием и обработка запросов и команд от контроллеров и адаптеров на обслуживание внешних устройств; обработка данных и их запись в основную память и регистры адаптеров внешних устройств; выработка управляющих сигналов для устройств компьютера. В состав микропроцессора входят следующие устройства: 1. Арифметико-логическое устройство – выполняет арифметические и логические операции над данными. 2. Устройство управления – координирует взаимодействие различных устройств компьютера. 3. Микропроцессорная память (кэш-память) – предназначена для кратковременного хранения, чтения и записи данных, которые микропроцессор получит и будет использовать в ближайших тактах своей работы. Быстрый доступ к данным позволяет сократить время выполнения процессором очередных команд программы. 4. Интерфейсная система микропроцессора – обеспечивает связь с другими устройствами компьютера. Включает в себя внутренний интерфейс микропроцессора, буферные запоминающие регистры, схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной. 4 -битный микропроцессор

Что, в основном, нужно знать при выборе процессора: Процессоры линейки Core 2 подразделяются на три типа: 1). Core 2 Duo – Двухядерные процессоры 2) Core 2 Quad – Четырёхядерные процессоры 3) Core 2 Extreme – «Экстремальные» четырёхядерные процессоры. 1. Семейство (линейка) процессоров 2. Тактовая частота 3. Размер кэша 4. Частота шины -----------------Наш выбор: Офисная конфигурация: Intel: Celeron 440 2. 0 ГГц/512 K/800 МГц LGA 775 (1155) -----------------Пример расшифровки: Процессор Intel Celeron модели 440/ Тактовая частота - 2. 0 гигагерц/ Объём кэша второго уровня (L 2) - 512 килобайт/ Частота шины процессора - 800 мегагерц/ Сокет - LGA 775.

Задание информацию посмотреть на сайте http: //icq-site. hut. ru/processor. html Домашняя конфигурация: Intel: Pentium E 2220 2. 4 ГГц/1 Мб/800 МГц LGA 775 (3000) AMD: Athlon-64 X 2 4800+ 2. 5 ГГц/1 Мб/2000 МГц Socket AM 2 (1800) Игровая конфигурация среднего класса: Intel: Core 2 Duo E 7200 2. 53 ГГц/3 Мб/1066 МГц 775 -LGA (3800) AMD: Phenom X 3 8650 1. 5+2 Мб/3600 МГц Socket AM 2+ (3800) Игровая конфигурация топ-класса: Intel: Core 2 Duo E 8600 3. 33 ГГц/6 Мб/1333 МГц LGA 775 (9000 -10000) AMD: Phenom II X 4 940 Black Edition 2+6 Мб/3600 МГц Socket AM 2+ (85009000)

Запоминающие устройства компьютера. Классификация и основные характеристики уст Запоминающие устройства (память) предназначены для хранения данных и оперативного обмена данными с другими устройствами компьютера Внутренняя память состоит из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), кэш-памяти и CMOS-памяти. Постоянное запоминающее устройство– постоянная память (Read Only Memory – ROM) – предназначено для хранения постоянной программной и справочной информации. Данные, хранящиеся в постоянной памяти, доступны только для чтения, они записываются в ПЗУ при его изготовлении. В постоянную память записываются программы запуска и останова работы компьютера, тестирования устройств, управления работой процессора, управления монитором, клавиатурой, принтером, внешней памятью, настройки конфигурации компьютера (SETUP). Совокупность этих программ называется базовой системой ввода-вывода (Basic Input Output System – BIOS). ПЗУ является энергонезависимой памятью – при отключении питания компьютера данные в постоянной памяти сохраняются. Оперативное запоминающее устройство– оперативная память (Random Access Memory – RAM) предназначено для записи, хранения и чтения программ и данных, непосредственно участвующих в процессе вычисления в текущий момент времени. Оперативная память имеет высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к памяти). Все ячейки памяти объединены в группы по 8 бит (1 байт), каждая группа имеет адрес, по которому к ней можно обратиться. ОЗУ является энергозависимой памятью – при выключении питания компьютера данные в оперативной памяти не сохраняются. Основная характеристика оперативного запоминающего устройства – объем памяти. Она влияет на скорость работы компьютера и работоспособность программ

Обмен данными внутри микропроцессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, в том числе и с оперативной памятью. Для уменьшения количества обращений к оперативной памяти используется кэш-память (cache memory). Кэширование – это использование дополнительной быстродействующей памяти для хранения копий блоков данных из оперативной памяти, вероятность обращения к которым в ближайшее время велика. Кэш-память является энергозависимой памятью. Кроме ПЗУ и ОЗУ на системной плате имеется энергонезависимая CMOS-память (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), постоянно питающаяся от своего аккумулятора. В CMOS-память хранятся параметры конфигурации компьютера, которые проверяются при каждом его включении. Так конфигурация компьютера может меняться, то, соответственно, информацию об этом необходимо вносить в CMOS-память. Для изменения параметров конфигурации компьютера в BIOS содержится программа настройки конфигурации компьютера – SETUP. Самонастраивающиеся модели компонентов (Plug-and-Play) сами вносят информацию в CMOS-память Внешняя память относится к внешним устройствам компьютера и используется для долговременного хранения программ и данных. Внешние запоминающие устройства весьма разнообразны. Их можно классифицировать по виду носителя данных, типу конструкции устройств, принципу записи и чтения данных, методу доступа и т. д. Наиболее распространенными внешними запоминающими устройствами являются: nнакопители на жестких магнитных дисках (НЖМД); nнакопители на гибких магнитных дисках (НГМД); nнакопители на оптических дисках (CD/DVD); nнакопители на флэш-память.

n n n n Назначение и основные характеристики устройств Внешние (периферийные) устройства обеспечивают взаимодействие компьютера с окружающей средой – пользователями, объектами управления и другими компьютерами [8, 9, 11, 18, 29 и др. ]. Внешние устройства подключаются к системному блоку через специальные разъемы – порты вводавывода. Порты ввода-вывода бывают следующих типов: параллельный порт (parallel port) позволяет передать за один такт, по крайней мере, 1 байт. Каждому биту выделен один проводник и все составляющие байта передаются одновременно, параллельно. Параллельные порты обозначаются именами LPT 1 – LPT 4 (Line Prin. Ter), обычно используются для подключения принтеров; последовательный порт (serial port) содержит одну пару проводников и поэтому биты, составляющие сигнал, проходят через порт последовательно. Последовательные порты СОМ 1 – COM 4 (COMmunication) служит для передачи некодированных сигналов, к ним обычно подключаются мышь, модем и другие устройства; USB-порт (Universal Serial Bus) – используется для подключения любого устройства. Подключенные через USB-порт устройства конфигурируются автоматически и допускают Hot-Swap включение/выключение (без перезагрузки или выключения компьютера). К внешним устройствам относятся: устройства ввода данных, устройства вывода данных, диалоговые средства пользователя, средства связи и телекоммуникации.

Устройства ввода данных: n n n клавиатура – устройство для ручного ввода в компьютер числовой, текстовой и управляющей информации; графический планшет (дигитайзер) – устройство для ручного ввода графических данных путем перемещения по планшету специального указателя (пера) – при перемещении пера автоматически выполняется считывание координат его местоположения и ввод этих координат в компьютер; сканер (читающий автомат) – устройство для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в компьютер машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей; графические манипуляторы – устройства для ввода графических данных на экран монитора путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в компьютер (джойстик, мышь, трекбол, световое перо); сенсорный экран – устройство для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в компьютер.

Устройства вывода данных: n n n n графопостроитель (плоттер) – устройство для вывода графических данных на бумажный носитель; принтер – печатающее устройство для вывода на бумажный носитель. Виды принтеров: матричные, струйные, лазерные. В матричном принтере изображение формируется из точек, печать которых осуществляется тонкими иглами, ударяющими бумагу через красящую ленту. Количество иголок в печатающей головке определяет качество печати. В струйном принтере в печатающей головке имеются тонкие трубочки (сопла), через которые на бумагу выбрасываются мельчайшие капельки чернил. Струйные принтеры обеспечивают высокую разрешающую способность и скорость печати при отличном качестве. Струйные принтеры могут выполнять монохромную и цветную печать, но в последнем случае скорость печати уменьшается примерно вдвое. В лазерном принтере применяется электрографический способ формирования изображений. Лазерный луч, вычерчивает на поверхности светочувствительного барабана невидимые контуры точечного электронного изображения. После проявления изображения порошком красителя (тонера), который налипает на разряженные участки, выполняется печать – перенoc тонера с барабана на бумагу и закрепление изображения на бумаге путем разогрева тонера до его расплавления. Лазерные принтеры обеспечивают наиболее качественную печать и высокое быстродействием. Широко используются как монохромные, так и цветные лазерные принтеры. Основные технические характеристики принтера: - разрешающая способность – количество точек на квадратный дюйм, измеряется в dpi (dots per inch), например: 1200× 1200 dpi для лазерных, 4800× 1200 dpi для струйных принтеров; - скорость печати – количество страниц в минуту (монохромная/цветная), может достигать 33/16 стр. /мин.

Диалоговые средства пользователя: n n n n видеомонитор – устройство для отображения вводимой и выводимой информации. Виды мониторов: ЭЛТ (CRT – cathode ray tube) мониторы на основе электронно-лучевой трубки, ЖК (LCD – liquid crystal display) – жидкокристаллические мониторы. Основным элементом ЭЛТ-монитора является электронно-лучевая трубка – электровакуумный прибор, преобразующий электрические сигналы в световые. В состав электронно-лучевой трубки входит: электронная пушка, предназначенная для формирования электронного луча; экран, покрытый люминофором – веществом, светящимся при попадании на него пучка электронов; отклоняющая система, управляющая лучом при формировании изображения. Жидкокристаллический монитор – плоский монитор на основе жидких кристаллов. ЖК -монитор состоит из электроники, обрабатывающей входной видеосигнал, жидкокристаллической матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса. Основные технические характеристики монитора: - разрешающая способность – определяется максимальным количеством точек (пикселей), размещающихся по горизонтали и по вертикали на экране монитора, например для LCD-мониторов разрешающая способность обычно составляет 1280× 1024; - видимая диагональ – размер панели, измеряется по диагонали в дюймах, широко распространены мониторы с диагональю 17" – 19"; - время отклика (для LCD-мониторов) – минимальное время, необходимое пикселу для изменения своей яркости от белого цвета до чёрного и обратно, измеряется в миллисекундах, составляет от 2 до 8 ms. устройства речевого ввода-вывода информации. К ним относятся микрофонные акустические системы, а также синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через динамики или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру.

Вопросы для самоконтроля n n n n n n n Что такое компьютер? В чем заключаются принципы Дж. фон Неймана? Какова классическая архитектура компьютера? В чем отличие персональных компьютеров от мейнфреймов и суперкомпьютеров? Какова базовая конфигурация персонального компьютера? Что входит в состав системного блока? Какие компоненты вычислительной системы размещаются на материнской плате? Каково назначение чипсета? Для чего предназначена системная шина? В чем заключается принцип открытой архитектуры? Что такое микропроцессор, каковы его функции? Какие устройства входят в состав микропроцессора? Для чего предназначено постоянное запоминающее устройство? Каково назначение оперативной памяти? Что такое кэш-память? Что такое CMOS-память? Как осуществляется чтение и запись данных на НЖМД? Как осуществляется чтение и запись данных на НГМД? Как осуществляется чтение и запись данных на оптические диски? В чем отличие записываемых оптических дисков от перезаписываемых? Какие существуют порты ввода-вывода? Какие внешние устройства предназначены для ввода данных? Какие внешние устройства предназначены для вывода данных? Какие существуют виды принтеров? Какие существуют виды мониторов? Какие устройства являются диалоговыми средствами пользователя