Компьютер Состав и работа компьютерных систем
Схема устройства компьютера Принтер, монитор, наушники, колонки, плоттеры Дигитайзер Клавиатура Мышь Сканер Микрофон Трекбол Тачпад Джойстик Сенсорный экран Световое перо Устройства вывода Устройства ввода Блок питания Плата расширения Система охлаждения Жёсткий диск АЛУ УУ Сопроцессор Процессор Материнская плата ПК ЦП Дополнительные устройства Память внутренняя Кэш память Регистры Оперативная память Внешняя носители DVD CD Дискеты Flash память Устройства чтения CD ROM DVD ROM FDD Картридер
• • • Магистрально модульный принцип построения компьютера В основу архитектуры современных ПК положен магистрально модульный принцип. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости её модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информации между модулями. Магистральный принцип – принцип, в соответствии с которым разнообразные устройства внутри компьютера (процессор, память, контроллеры внешних устройств) взаимодействуют между собой посредством общего канала связи, называемого магистралью или общей шиной. Магистраль состоит из шины данных, шины адреса, шины управления. Шина является общим ресурсом. Это значит, что если два устройства обмениваются данными посредством общей шины, остальные устройства вынуждены ждать её освобождения. Занятие и освобождение шины с помощью обмена сигналами по шине управления. В ПК применяются шины двух типов. Локальная шина связывает процессор с наиболее быстрыми устройствами – видеокартой, контроллером жёсткого диска и т. д. Для подключения прочих устройств используется относительно медленная системная шина.
Арифметические основы компьютера Джона фон Неймана • Джон фон Нейман в 1946 году описал арифметические основы компьютера: «Компьютер должен иметь: устройство ввода, устройство вывода, арифметико-логическое устройство(АЛУ), устройство управления(УУ), память» . • В наше время объединены АЛУ и УУ в чипсет процессора.
Материнская плата • • • Материнская плата (системная плата) – печатная плата с набором чипов, на которой осуществляется монтаж большинства компонентов компьютерной системы посредством различных разъёмов. Название происходит от английского motherboard, иногда используется сокращение МВ, или слово mainboard – главная плата. Обычно на материнской плате располагаются разъём для подключения центрального процессора, графической платы, звуковой платы, жёстких дисков, оперативной памяти и других дополнительных периферийных устройств. Все основные электронные схемы компьютера и необходимые дополнительные устройства включаются в МВ, или подключаются к ней с помощью слотов расширения. Наиболее важной частью МВ является чипсет, состоящий из двух частей – северного моста ( North Bridge) и южного моста (South Bridge). Обычно северный мост расположен на отдельных микросхемах. Именно северный и южный мосты определяют особенность МВ и то, какие устройства могут подключатся к ней. Современна МВ ПК включает в себя чипсет, согласующий работу центрального процессора и составных частей компьютера (ОЗУ, ПЗУ, портов ввода и вывода), слот расширения форматов PCI Express, PCI, AGP, ISA. Большинство устройств , которые могут присоединятся к МВ, присоединяются с помощью одного или нескольких слотов расширения или сокетов, а многие современные МВ поддерживают беспроводные устройства, использующие протокол Ir. DA, Bluetooth, 802. 11 (Wi Fi).
BIOS Clock battery Слот для жёстких дисков Northbridge процессор Southbridge Графическая карта слот BIOS ROM Звуковая карта слот
Системная шина Для обеспечения информационного обмена между различными частями ПК в нём предусмотрена магистраль для перемещения потоков информации. Роль такой информационной магистрали выполняет системна шина, располагающаяся внутри системного блока. Упрощённо её можно представить как группу кабелей и электрических линий на системной плате. Все основные блоки ПК присоединены к системной шине. Её основная функция – обеспечение взаимодействия между процессором и остальными компонентами ПК. По ней осуществляется передача данных, адресов памяти и управляющей информации. От типа системной шин зависит скорость обработки информации ПК. К основным её характеристикам относят разрядность и производительность шины. v Разрядность шины определяет количество бит информации, передавшейся от одного устройства к другому. v Производительность шины определяется объёмом информации, который можно передать за одну секунду. Производительность во многом зависит от разрядности: чем выше разрядность, тем больше бит информации может передаваться по ней. Это приводит к более быстрому обмену данными и освобождению процессора от других задач. Однако системная шина не может обеспечивать достаточную производительность для внешних устройств. Поэтому в ПК стали использовать локальные шины. • На МВ системна шина заканчивается слотами для установки карт расширения. •
Процессор Оперативная память Системная шина Мышь (компьютерная) Колонки Принтер Клавиатура Другие устройства
Шина управления v Шина управления — компьютерная шина, по которой передаются сиг налы, определяющие характер обмена информацией по ма гистрали между центральным процессором и периферией. Сигналы управления определяют, какую операцию (считывание или запись информации из памяти) нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т. д. • Эта шина не имеет такой же четкой структуры, как шина данных или шина адреса. В шину управления условно объединяют набор линий, передающих различные управляющие сигналы от процессора на все периферийные устройства и обратно. В шине управления присутствует линии, передающие следующие сигналы: ü RD — сигнал чтения; ü WR — сигнал записи; ü MREQ — сигнал, инициализации устройств памяти (ОЗУ или ПЗУ); ü IORQ сигнал инициализации портов ввода/вывода. • Кроме того, к сигналам шины управления относятся: READY — сигнал готовности, RESET — сигнал сброса.
Шина адреса v Шина адреса — компьютерная шина, используемая центральным процессором или устройствами, способными инициировать сеансы DMA, для указания физического адреса слова ОЗУ (или начала блока слов), к которому устройство может обратиться для проведения операции чтения или записи. • По адресной шине происходит адресация ячеек памяти, в которых производится запись данных. • Основной характеристикой шины адреса является её ширина в битах. Ширина шины адреса определяет объём адресуемой памяти. • С точки зрения архитектуры микропроцессорной системы, каждый бит в адресе определяется одним проводником (линией) в магистрали, по которой передаётся адрес. • Если рассматривать структурную схему микро ЭВМ, то адресная шина активизирует работу всех внешних устройств по команде, которая поступает с микропроцессора.
Шина данных v Шина данных — шина, предназначенная для передачи информации. По шине данных идёт передача данными между центральным процессором, картами расширения и памятью. В компьютерной технике принято различать выводы устройств по назначению: одни для передачи информации (например, в виде сигналов низкого или высокого уровня), другие для сообщения всем устройствам (шина адреса) — кому эти данные предназначены. • На материнской плате шина может также состоять из множества параллельно идущих через всех потребителей данных проводников. • Основной характеристикой шины данных является её ширина в битах(от 8 до 64). Ширина шины данных определяет количество информации, которое можно передать за один такт.
Порты • • Подключаемые к компьютеру периферийные устройства в значительной степени определяют возможности использования ПК и его технические характеристики. К периферийным устройствам относятся устройства ввода вывода, внешние накопители, адаптеры связи и другие устройства. Для подключения к компьютеру внешних устройств используются либо устанавливаемые в слоты материнской платы контроллеры устройств (карты расширения), либо стандартные порты ввода вывода. Порт ввода вывода является стандартным контроллером, под который разрабатываются внешние устройства. Назначение порта сопряжение системной шины компьютера и внешнего устройства. Традиционными портами ввода вывода являются последовательный, параллельный и игровой порт. В настоящее время наиболее популярны внешние интерфейсы последовательного типа.
Последовательный порт • • • Последовательным данный порт называется потому, что информация через него передаётся по одному биту, бит за битом. Наиболее часто для последовательного порта персональных компьютеров используется стандарт RS 232 C. Ранее последовательный порт использовался для подключения терминала, позже для модема или мыши. Сейчас он используется для соединения с источниками бесперебойного питания, для связи с аппаратными средствами разработки встраиваемых вычислительных систем, спутниковыми ресиверами, а также с приборами систем безопасности объектов. Широко распространённый в IBM PC совместимых компьютерах, последовательный порт в настоящее время морально устарел, но ещё нередко присутствует на современных компьютерах и используется в промышленном и узкоспециальном оборудовании. В настоящее время в IBM PC совместимых компьютерах активно вытесняется интерфейсом USB, в Macintosh — USB и Fire. Wire.
Параллельные порты v Параллельный порт — тип интерфейса, разработанный для компьютеров (персональных и других) для подключения различных периферийных устройств. В вычислительной технике параллельный порт является физической реализацией принципа параллельного соединения. Он также известен как принтерный порт. • До появления USB параллельный интерфейс был адаптирован помимо принтеров к большому числу периферийных устройств. Одним из первых таких устройств были электронные ключи для защиты программного обеспечения от копирования. Вскоре параллельный интерфейс нашёл применение в накопителях на гибких магнитных дисках Iomega Zip и сканерах, за которыми последовали и другие устройства: модемы, звуковые карты, веб камеры, геймпады, джойстики, внешние жёсткие диски и CD диски.
USB v USB (англ. Universal Serial Bus — «универсальная последовательная шина» )— последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств в вычислительной технике. • Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырёхпроводной кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода — для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания (максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна превышать 500 м. А, у USB 3. 0 900 м. А).
Память Внутренняя Внешняя
Внутренняя память
Внешняя память • v v • ü ü • • • v • Внешняя память компьютера организована на различных материальных носителях: на дискетах, на жёстких дисках, на магнитных лентах, на лазерных дисках(компакт-дисках). Носитель – материальный объект, способный хранить информацию. Устройство внешней памяти ( накопитель ) – физическое приспособление, позволяющее производить считывание и запись информации на соответствующий носитель. По типу доступа к информации делятся на 2 класса: Устройства прямого ( произвольного ) типа ( не зависят от места её расположения на носителе ); Устройства последовательного доступа ( зависят от места её расположения на носителе ). Существует две распространенные операции с памятью – считывание(чтение) информации из памяти и запись ее в память для хранения. Для обращения к областям памяти используются адреса. Чтение(считывание) информации из памяти – процесс получения информации из области памяти по заданному адресу. Запись(сохранение) информации в памяти – процесс размещения информации в памяти по заданному адресу для хранения. Быстродействие памяти ( время доступа ) – время, необходимое для чтения из памяти либо записи в неё минимальной порции информации. Для числового выражения этого параметра используются единицы измерения времени: миллисекунда, микросекунда, наносекунда. Скорость вращения внешнего устройства рассчитывается следующим образом: х = величина 150 кил / сек (это скорость вращения магнитофонной кассеты). Например: 16 х =16*150=2400 кил/сек , так мы найдем реальную скорость внешнего устройства.
• Материальные носители: ü CD – это диски, на поверхности которых информация записана с помощью лазерного луча. ü DVD – это диски которые хранят данные за счет расположенных выпуклостей(насечек) вдоль спиральных дорожек на отражающей металлической поверхности, покрытой пластинкой. ü Дискета портативный магнитный носитель информации, используемый для ü многократной записи и хранения данных сравнительно небольшого объема. ü Flash память – электронный энергозависимый тип памяти, хранящий данные до тех пор, пока вы их сами не удалите. • • • Устройства чтения памяти: СD ROM устройство для чтения с компакт дисков, которое позволяет только читать информацию, ранее записанную на диск. DVD ROM устройство для чтения с компакт дисков, которое позволяет только читать информацию, ранее записанную на диск. HDD (жесткий магнитный диск) – набор металлических, либо керамических дисков, покрытых магнитным слоем. Диски вместе с блоком магнитных головок установлены внутри геометрического корпуса накопителя, обычно называемого винчестером. FDD электромеханическое устройство, позволяющее осуществить чтение/запись информации на различных жёстких или гибких дисках. Картридер устройство для чтения карт памяти и иных электронных карт самого различного назначения.
v Накопитель на жёстких магнитных дисках (англ. hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD), жёсткий диск, в компьютерном сленге «винчестер» — устройство хранения информации, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров. • В отличие от дискеты, информация в накопитель на жёстких магнитных дисках записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферримагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома. В накопителе на жёстких магнитных дисках используется одна или несколько пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках около 10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков. Винчестер
Кодирование звука v Физическая природа звука – колебания в определённом диапазоне частот, передаваемые звуковой волной через воздух (или другую среду). q Процесс преобразования звуковых волн в двоичный код в памяти компьютера: Звуковая волна АУДИОАДАПТЕР МИКРОФОН Переменный электрический ток Двоичный код ПАМЯТЬ КОМПЬЮТЕРА q Процесс воспроизведения звуковой информации, сохранённой в памяти компьютера: ПАМЯТЬ КОМПЬЮТЕРА Двоичный код Переменный электрический ток АУДИОАДАПТЕР ДИНАМИК Звуковая волна
Звуковая карта v Аудиоадаптер (звуковая плата) – специальное устройство, подключаемое к компьютеру, предназначенное для преобразования электрических колебаний звуковой частоты в числовой двоичный код при вводе звука и для обратного преобразования при воспроизведении звука. • В процессе записи звука аудиоадаптер с определённым периодом измеряет амплитуду электрического тока и заносит в регистр двоичный код полученной величины. Затем двоичный код переписывается из регистра в оперативную память компьютера. Качество компьютерного звука определяется характеристиками аудио адаптера: разрядностью (бит) и частотой дискретизации (Герц). v Частота дискретизации – это количество измерений входного сигнала за 1 секунду. v Разрядность регистра – число битов в регистре аудиоадаптера. Разрядность определяет точность измерения входного сигнала. Ø Непрерывный сигнал образуется в последовательность двоичных чисел в два этапа: ü Дискретизация (время звучания разбивается на n промежутков, в каждом из которых производится 1 замер силы звука); ü Оцифровка (определяется, в какой интервал попала сила звука и запоминается номер интервала).
Задачи На кодирование звука V = Ch * t * r / 8
Задача № 1 • Объём свободной памяти на диске – 0, 1 Гб, разрядность звуковой платы – 16 бит. Какова длительность звучания звукового файла, записанного с частотой дискретизации – 44100 Гц? Дано: V = 0, 1 Гб r = 16 бит Ch = 44100 Гц Найти: t? Решение: V = Ch * r * t / 8 t = 8 V / (r * Ch) = 8 * 0, 1 Гб * 1024 / (16 бит * * 44100 Гц) = 1188, 9 с = 20 мин Ответ: 20 мин.
Задача № 2 • Какой объём памяти требуется для хранения цифрового аудиофайла с записью звука высокого качества при условии, что время звучания составляет 3 минуты? Дано: t = 180 c Файл высокого качества Найти: V? Решение: Высокое качество звучания достигается при частоте дискретизации 44100 Гц, при разрядности аудиоадаптера 16 бит => Ch = 44100 Гц, r = 16 бит. V = Ch * t * r / 8 = 44100 Гц * 180 с * 16 бит / 8 / 1024 = 15, 1 Мб Ответ: 15, 1 Мб.
Задача № 3 • Цифровой аудиофайл содержит запись звука низкого качества (звук мрачный и приглушенный). Какова длительность звучания файла, если его объём составляет 650 Кб. Дано: V = 650 Кб Звук низкого качества Найти: t? Решение: Для мрачного и приглушенного звука характерны следующие параметры: частота дискретизации – 11000 Гц, разрядность аудиоадаптера – 8 бит => Ch = 11000 Гц, r = 8 бит V = Ch * r * t / 8 t = 8 V / (r * Ch) = 8 * 650 Кб * 1024 / (11000 Гц * 8 бит) = 60, 5 с Ответ: 60, 5 с.
Скачать презентацию Компьютер Состав и работа компьютерных систем Схема
Компьютер.ppt