Компьютер и программное обеспечение Магистрально-модульный принцип построения

Компьютер и программное обеспечение

Магистрально-модульный принцип построения ПК В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить по необходимости её модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

• Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления, которые представляют собой многопроводные линии. К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства

Процессор Оперативная память Шина данных (8, 16, 32, 64 бита) Шина адреса(16, 20, 24, 32, 36 битов) Магистраль Шина управления Устройства вывода Долговременная память Устройства ввода Сетевые устройства

Шина данных По этой шине данные передаются между различными устройствами, причём в обоих направлениях. Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, то есть количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно.

Шина адреса • Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передаётся по адресной шине, причём сигналы передаются по ней в одном направлении – от процессора к оперативной памяти и устройствам. Разрядность шины адреса определяет объём адресуемой памяти (адресное пространство), то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле: • N=2 I, где I-разрядность шины адреса.

Шина управления По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают, какую операцию- считывание или запись информации из памяти – нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами.

Процессор аппаратно реализуется на большой интегральной схеме (БИС). БИС представляет собой маленькую полупроводниковую пластину размером 20 х20 мм, заключённую в плоский корпус с рядами металлических контактов. БИС является «большой» по количеству элементов (42 миллиона в процессоре Pentium 4), размеры которых составляют 0, 13 микрон. Основные характеристики процессора: • Тактовая частота • Разрядность.

Тактовая частота • Такт-промежуток времени между началами подачи двух последовательных импульсов специальной микросхемойгенератором тактовой частоты, синхронизирующим работу узлов компьютера. • Тактовая частота – количество тактов в секунду. На выполнение процессором каждой базовой операцией отводится определённое количество тактов. Чем больше тактовая частота, тем большее количество операций в секунду выполняет процессор. • Тактовая частота измеряется в Мегагерцах и в Гигагерцах. 1 Мгц=миллион тактов в секунду.

Сравнительные характеристики процессора Тип Год Частота (МГц) выпуска Шина данных Шина адреса Адресуемое пространство 8086 80286 80386 80486 Pentium. III Pentium 4 1978 1982 1985 1989 1993 1997 1999 2000 16 16 32 32 64 64 20 24 32 32 32 36 36 36 1 Мб 16 Мб 4 Гб 4 Гб 64 Гб 5 -10 6 -12. 5 16 -33 25 -50 60 -166 200 -300 450 -1000 -2400

Разрядность процессора определяется количеством двоичных разрядов, которые могут передаваться или обрабатываться одновременно. Часто уточняют разрядность процессора и пишут 64/36 (Pentium 4 2000 г. ). То есть процессор одновременно обрабатывает 64 бита, а адресное пространство составляет 68719476736 байтов-64 Гб.

Системная плата • Основным аппаратным компонентом компьютера является системная плата, на которой реализована магистраль обмена информацией, имеются разъёмы для установки процессора и оперативной памяти, а также слоты для установки контроллеров внешних устройств.

Оперативная память Процессор монитор Жёсткие диски CD-ROM DVD-ROM Мышь Внешний модем AGP Системная шина Северный мост PCI UDMA Южный мост Звуковая плата Сетевая плата Внутренний модем USB PS/2 COM LPT клавиатура Сканер Плоттер Web-камера Принтер

• • • Быстродействие различных компонентов компьютера различно. Для согласования быстродействия на системной плате устанавливают специальные микросхемы(чипсеты), включающие в себя контроллер оперативной памяти (северный мост) и контроллер периферийных устройств (южный мост). Северный мост обеспечивает обмен информацией между процессором и оперативной памяти по системной шине. В процессоре используется внутреннее умножение частоты, поэтому частота процессора в несколько раз больше, чем частота системной шины. PCI-шина взаимодействия периферийных устройств. AGP- шина (ускоренный графический порт), имеет частоту в несколько раз больше, чем частота шины PCI. Частота контроллеров меньше частоты системной шины обычно в три раза. COM 1, COM 2 –последовательные порты, несущие информацию в машинном коде один за другим. Реализуется с помощью 25 контактного и 9 -контактного разъёмов, выведенных на заднюю панель системного блока.

• LPT – параллельный порт, передаёт одновременно 8 электрических импульсов. Аппаратно реализуется с помощью 25 -контактного разъёма на задней панели системного блока. • UDMA- мое подключение к памяти. • USB-универсальная последовательная шина. Обеспечивает высокоскоростное подключение к компьютеру сразу нескольких устройств.

Устройства ввода • • Мышь Трекбол Тачпад Графический планшет Сканер Цифровые камеры Микрофон

Разрешение • Мыши 600 dpi(точек на дюйм)- при перемещении мыши по коврику на 1 дюйм (2, 54 см) указатель мыши на экране перемещается на 600 точек. • Графического планшета 2048 lpi (линий на дюйм)перемещение пера по планшету на 1 дюйм соответствует перемещению на 20048 точек на экране. Количество воспринимаемых градаций нажатия составляет 1024. • Сканера от 600 dpi и выше, то есть на полоске изображения длиной 1 дюйм сканер может распознать 600 и более точек.

Устройства вывода • Монитор – ЖК – ЭЛТ • Принтер – Матричный – Струйный – лазерный • Динамики (колонки, наушники) • Плоттер

Память Внешняя Внутренняя Магнитные ОЗУ Оптические ПЗУ Флэш-память BIOS CMOS Кэш-память

Принципиальная схема оперативной памяти 0 -й байт 1 -й байт 2 -й байт 3 -й байт … 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1

Оперативная память • ОЗУ— 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. • Изготавливается в виде модулей.

Характеристики модулей • Объём • Быстродействие (время доступа к данным, которое обычно составляет 60 – 80 наносекунд).

Кэш (сверхоперативная) • 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 кэшпамять. • Располагается в процессоре

• BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода) — совокупность программ, предназначенных для: – автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера; – загрузки операционной системы в оперативную память. • Роль BIOS двоякая: с одной стороны это неотъемлемый элемент аппаратуры (Hardware), а с другой стороны — важный модуль любой операционной системы (Software).

• 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").

Магнитный принцип записи • Головка с сердечником перемещается вдоль магнитного слоя носителя. На неё поступают последовательности электрических импульсов, которые создают магнитное поле. В результате последовательно намагничиваются или не намагничиваются элементы поверхности носителя. • При считывании информации при движении магнитной головки над поверхностью носителя намагниченные участки вызывают в ней импульсы тока. Последовательности таких импульсов передаются по магистрали в ОП ПК.

Оптический принцип • В процессе записи с помощью мощного лазера изменяют отражающую способность участков поверхности диска. Записывается на одну спиралевидную дорожку. • В процессе считывания луч лазера падает на поверхность вращающегося диска и отражается. Т. к. поверхность имеет различную отражающую способность, то отражённый луч меняет свою интенсивность. Световые импульсы преобразуются с помощью фотоэлементов в электрические.

Структура дисков • Для того чтобы на диске можно было хранить информацию, диск должен быть отформатирован, то есть должна быть создана физическая и логическая структура диска. • Формирование физической структуры диска состоит в создании на диске концентрических дорожек, которые, в свою очередь, делятся на секторы. Для этого в процессе форматирования магнитная головка дисковода расставляет в определенных местах диска метки дорожек и секторов.

Форматирование дисков • Форматирование диска - процесс разметки диска на сектора и дорожки для записи данных. Форматирование создает структуру диска, обеспечивающую запись/чтение файлов и программ операционной системой. • Форматирование выполняется служебными программами. Форматирование диска чем-то похоже на разлиновывание тетради.

Логическая структура гибких дисков

Логическая структура гибких дисков • Логическая структура магнитного диска представляет собой совокупность секторов (емкостью 512 байтов), каждый из которых имеет свой порядковый номер (например, 100). Сектора нумеруются в линейной последовательности от первого сектора нулевой дорожки до последнего сектора последней дорожки.

Логическая структура гибких дисков У гибкого диска две стороны, на которых создается по 80 дорожек. На каждой дорожке по 18 секторов. Общая емкость гибкого диска составляет 2 * 80 * 18 * 512 = 1474560 байт ≈ 1. 44 Мбайт.

На гибком диске минимальным адресуемым элементом является сектор. При записи файла на диск будет занято всегда целое количество секторов, соответственно минимальный размер файла — это размер одного сектора, а максимальный соответствует общему количеству секторов на диске. Файл записывается в произвольные свободные сектора, которые могут находиться на различных дорожках. Например, Файл 1 объемом 2 Кбайта может занимать сектора 34, 35 и 47, 48, а Файл 2 объемом 1 Кбайт — сектора 36 и 49. № дорожки № сектора 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 2 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 …… 79 2280

Таблица размещения файлов • Для того чтобы можно было найти файл по его имени, на диске имеется каталог, представляющий собой базу данных. Запись о файле содержит имя файла, адрес первого сектора, с которого начинается файл, объем файла, а также дату и время его создания. • Полная информация о секторах, которые занимают файлы, содержится в таблице размещения файлов (FAT — File Allocation Table). Для размещения каталога — базы данных и таблицы FAT на гибком диске отводятся секторы со 2 по 33. Первый сектор отводится для размещения загрузочной записи операционной системы. Сами файлы могут быть записаны, начиная с 34 сектора.

Виды форматирования • Полное форматирование включает в себя как физическое форматирование (проверку качества магнитного покрытия дискеты и ее разметку на дорожки и секторы), так и логическое форматирование (создание каталога и таблицы размещения файлов). После полного форматирования вся хранившаяся на диске информация будет уничтожена. • Быстрое форматирование производит лишь очистку корневого каталога и таблицы размещения файлов. Информация, то есть сами файлы, сохраняется и в принципе возможно восстановление файловой системы.

Логическая структура жестких дисков • Минимальным адресуемым элементом жесткого диска является кластер, который может включать в себя несколько секторов. Размер кластера зависит от типа используемой таблицы FAT и от емкости жесткого диска. • На жестком диске минимальным адресуемым элементом является кластер, который содержит несколько секторов.

Дефрагментация дисков • Замедление скорости обмена данными может происходить в результате фрагментации файлов. Фрагментация файлов (фрагменты файлов хранятся в различных, удаленных друг от друга кластерах) возрастает с течением времени, в процессе удаления одних файлов и записи других. • Так как на диске могут храниться сотни и тысячи файлов в сотнях тысяч кластеров, то фрагментированность файлов будет существенно замедлять доступ к ним (магнитным головкам придется постоянно перемещаться с дорожки на дорожку) и в конечном итоге приводить к преждевременному износу жесткого диска. Рекомендуется периодически проводить дефрагментацию диска, в процессе которой файлы записываются в кластеры, последовательно идущие друг за другом. Дефрагментация - процесс перезаписи частей файла в соседние сектора на жестком диске для ускорения доступа и загрузки.

Физические и логические диски Для борьбы с нерациональными потерями или, просто, для удобства, часто жесткий диск разбивают на несколько разделов. Каждый такой раздел можно рассматривать как отдельный логический жесткий диск.

Программное обеспечение Системное Средства контроля и диагностики Операционные системы Система программирования Трансляторы Языки программирования Прикладное Пакеты прикладных программ Библиотека стандартных программ

Системное программное обеспечение организует процесс обработки в ПК • Средства контроля и диагностики обеспечивают автоматическую проверку функционирования отдельных узлов ЭВМ, поиск ошибок в их работе • ОС – главная часть системного ПО. Это комплекс программ, управляющих всеми аппаратными компонентами ПК, обеспечивая их целостное функционирование, а также предоставляющих пользователю доступ к аппаратным возможностям ПК.

Система программирования позволяет разрабатывать программы на языке программирования • Трансляторы – комплекс программ, обеспечивающих автоматический перевод с языка программирования в машинные коды. Они подразделяются на компиляторы (переводит без выполнения) и интерпретаторы (переводит и выполняет каждую конструкцию языка). • Языки программирования – формальные языки связи человека с ЭВМ, предназначенные для описания данных и алгоритмов их обработки на ПК.

Прикладное программное обеспечение предназначено для решения пользовательских задач • Пакет прикладных программ (ППП)наиболее известные инструментальные программные средства. • Библиотеки стандартных программ составляют часто используемые программы вычисления функций, решения уравнений ит. д.

Операционная система • Программные модули, управляющие файловой системой; • Командный процессор запрашивает у пользователя команды и выполняет их; • Драйвера обеспечивает управление работой устройств и согласование информационного обмена с другими устройствами; • Утилиты (обслуживают диски, операции с файлами)

Виды антивирусных программ • • • Детекторы Доктора (фаги) Ревизоры Фильтры (сторожа) Вакцины (иммунизаторы)

детекторы • Осуществляют поиск в ОП и файлах и при обнаружении выдают соответствующее сообщение.

доктора • Не только находят вирусы (сначала ОП, затем файлы), но и «лечат» , т. е. удаляют из файла тело вируса

ревизоры • Запоминают исходное состояние программ, каталогов и системных областей дисков тогда, когда компьютер не заражён вирусом, а затем периодически или пожеланию пользователя сравнивают текущее состояние с исходным. Обнаруженные изменения выводятся на экран монитора.

сторожа • Небольшая программа, предназначенная для обнаружения подозрительных действий при работе ПК. Предлагает запретить или разрешить данное действие: – Попытка коррекции исполняемого файла – Изменение атрибутов файла – Запись на диск – Запись в загрузочные сектора

вакцины • Вакцина модифицирует программу или диск таким образом, чтобы это не отражалось на их работе, а вирус будет воспринимать их заражёнными и поэтому не внедрится. Возможна только от известных вирусов.