Лекция 4 Технические средства реализации информационных технологий

Лекция № 4 Технические средства реализации информационных технологий

Архитектура и аппаратные средства ЭВМ Архитектура ЭВМ - это общее описание структуры и функций ЭВМ на уровне, достаточном для понимания принципов работы и системы команд ЭВМ, не включающее деталей технического и физического устройства компьютера. По принципам действия средства вычислительной техники подразделяют на цифровые, аналоговые и комбинированные. В XIX веке Чарльз Беббидж соединил идею механической машины с идеей программного управления. 2

Разностная машина Чарльза Беббиджа Несмотря на неудачу с разностной машиной, Беббидж в 1834 году задумался о создании программируемой вычислительной машины, которую он назвал аналитической (прообраз современного компьютера). 3

Архитектура и аппаратные средства ЭВМ Основные принципы построения ЭВМ были сформулированы американским учёным Джоном фон Нейманом в 40 -х годах 20 века: 1. Любую ЭВМ образуют три основные компоненты: процессор, память и устройства ввода-вывода (УВВ). 2. Информация, с которой работает ЭВМ делится на два типа: набор команд по обработке (программы) и данные подлежащие обработке. 3. Команды и данные вводятся в оперативную память (ОЗУ). 4. Руководит обработкой процессор, устройство управления (УУ) которого выбирает команды из ОЗУ и организует их выполнение, а арифметико-логическое устройство (АЛУ) проводит арифметические и логические операции над данными. 5. С процессором и ОЗУ связаны устройства ввода-вывода (УВВ). 4

Архитектура и аппаратные средства ЭВМ 5 Архитектура современных персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе. Связь между устройствами компьютера осуществляется через системную шину. Шина - это кабель, состоящий из множества проводников. По первой группе проводников - шине данных передаётся обрабатываемая информация. По второй - шине адреса - адреса памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор. Третья часть магистрали - шина управления, по ней передаются управляющие сигналы.

Архитектура и аппаратные средства ЭВМ Системная шина характеризуется частотой и разрядностью. 6 тактовой Количество одновременно передаваемых по шине бит называется разрядностью шины. Тактовая частота характеризует число элементарных операций по передаче данных в 1 секунду. Разрядность шины измеряется в битах, тактовая частота – в мегагерцах (гигагерцах).

Архитектура ЭВМ (упрощенная схема) 7

Архитектура и аппаратные средства ЭВМ 8

Материнская плата (англ. motherboard) — сложная многослойная печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера (центральный процессор, контроллер оперативной памяти и собственно оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), загрузочное постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), контроллеры базовых интерфейсов вводавывода). Именно материнская плата объединяет и координирует работу таких различных по своей функциональности комплектующих, как процессор, оперативная память, платы расширения и всевозможные накопители. 9

Материнская плата (схема и фото) 10

BIOS 11 BIOS (Basic Input Output System – базовая система вводавывода) – группа небольших программ в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). BIOS отвечает за базовые функции интерфейса и настройки оборудования. Главная функция BIOS материнской платы – инициализация устройств, подключенных к материнской плате, сразу после включения питания компьютера.

12 Среди архитектур персональных компьютеров выделяют: - по разрядности интерфейсов и машинных слов: 8 -, 16 -, 32 -, 64 -, 128 - разрядные (битные) (ряд ЭВМ имеет и иные разрядности); - по особенностям набора регистров, формата команд и данных: CISC, RISC, MISC; - по количеству центральных процессоров: однопроцессорные; многопроцессорные; суперскалярные.

Микропроцессоры 13 Микропроцессор - процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем Микропроцессор состоит из арифметико-логического устройства и устройства управления.

Микропроцессоры 14 Микропроцессоры различаются между собой тактовой частотой и разрядностью. Тактовая частота – количество элементарных операций, выполняемых процессором за 1 сек. ; она измеряется в герцах (Гц). Разрядность процессора – это число одновременно обрабатываемых процессором битов.

Микропроцессорные архитектуры 15 Процессор со сложным набором инструкций, англ. CISC — Complex Instruction Set Computer. Эту архитектуру характеризует большое количество сложных инструкций, и как следствие сложное устройство управления. В ранних вариантах CISCпроцессоров и процессоров для встроенных приложений характерны большие времена исполнения инструкций (от нескольких тактов до сотни), определяемые микрокодом устройства управления.

Микропроцессорные архитектуры 16 Процессор с упрощённым набором инструкций, англ. RISC — Reduced Instruction Set Computer. В этой архитектуре значительно более простое устройство управления. Большинство инструкций RISC-процессора содержат одинаковое малое число операций (1, иногда 2 -3), а сами командные слова в подавляющем числе случаев имеют одинаковую ширину (Power. PC, ARM), хотя бывают исключения (Coldfire).

Микропроцессорные архитектуры 17 Процессор с минимальным набором инструкций, англ. MISC — Minimal Instruction Set Computer. Эта архитектура определяется прежде всего сверхмалым количеством инструкций (несколько десятков). Такой подход даёт возможность очень плотно упаковать код, выделив под одну инструкцию от 5 до 8 бит. Промежуточные данные в таком процессоре обычно хранятся на внутреннем стеке, и операции производятся над значениям на вершине стека.

Микропроцессорные архитектуры 18 Для увеличения скорости выполнения математических операций (операций с плавающей запятой) в ЭВМ используется специальное устройство – математический сопроцессор, работающий во взаимодействии с центральным процессором. В настоящее время эти операции выполняют современные центральные процессоры.

Память (внутренняя и внешняя) Внутренняя память компьютера предназначена для оперативной обработки данных. Она является более быстрой, чем внешняя память. Внешняя память представлена магнитными и оптическими носителями, флэш памятью. Магнитные носители делятся на магнитные ленты (стриммеры), которые используются для хранения архивов и нашли неширокое применение, и магнитные диски. 19

Память (продолжение) 20 Быстродействие накопителя информации – скорость чтения/записи данных в накопителе. Оно характеризуется двумя параметрами: средним временем доступа и скоростью передачи данных. При отключении питания компьютера информация не сохраняется только в ОЗУ. Накопитель на жестком диске, ПЗУ и Флэш-память являются энергонезависимыми устройствами.

Оперативная память (ОЗУ) 21 Оперативная память (англ. Random Access Memory, память с произвольным доступом) — энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой временно хранятся данные и команды, необходимые процессору для выполнения им операции. Динамическая память служит базой для построения модулей оперативной памяти. Организуется из набора полупроводниковых конденсаторов, хранящих уровни напряжения. Благодаря маленькой площади, занимаемой элементом памяти на кристалле, обеспечивается большая информационная емкость микросхем памяти.

Кэш память 22 Центральные процессоры (ЦП) имеют кэш память, для того чтобы минимизировать доступ к оперативной памяти (ОЗУ), которая медленнее, чем регистры процессора (микропроцессорная память). Кэш-память может давать значительный выигрыш в производительности, в случае когда тактовая частота ОЗУ значительно меньше тактовой частоты ЦП. Тактовая частота для кэш-памяти обычно ненамного меньше частоты ЦП. Кэш память еще называют буферной. Информационный объем кэш-памяти намного меньше ОЗУ.

Микропроцессорная память реализуется на том же кристалле, что и процессор. Она предназначена для хранения небольшого количества информации (до нескольких десятков слов (слово равно разрядности процессора), а в RISCархитектурах – до сотни), обрабатываемой в текущий момент времени. Микропроцессорная память по объему информации намного меньше кэш-памяти процессора. Обращение к этой памяти производится непосредственно по командам процессора. 23

24 Статическая память служит базой для построения кэшпамяти и микропроцессорной памяти. Запоминающим элементом статической памяти является триггер (элемент с двумя устойчивыми состояниями), переключаемый за существенно меньшее время по сравнению со временем (заряд/разряд) элемента динамической памяти. Принципиальная схема триггера на двух логических элементах ИЛИ-НЕ

Мониторы 25 Монитор — устройство, предназначенное для визуального отображения информации. Современный монитор состоит из корпуса, блока питания, плат управления и экрана. Информация (видеосигнал) для вывода на монитор поступает с компьютера посредством видеокарты, либо с другого устройства, формирующего видеосигнал

Классификация мониторов 26 • ЭЛТ — на основе электронно-лучевой трубки (англ. cathode ray tube, CRT) • ЖК — жидкокристаллические мониторы (англ. liquid crystal display, LCD) • Плазменный — на основе плазменной панели (plasma display panel, PDP, gas-plazma display panel) • Проектор — видеопроектор и экран, размещённые отдельно или объединённые в одном корпусе (как вариант — через зеркало или систему зеркал); • OLED-монитор — на технологии OLED (англ. organic light-emitting diode — органический светоизлучающий диод) • Лазерный — на основе лазерной панели (пока только внедряется в производство)

Накопители на магнитных дисках 27 Накопитель на жестких магнитных дисках или НЖМД (англ. hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD), жёсткий диск - запоминающее устройство (устройство хранения информации) произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров. Информация на магнитных дисках записывается по концентрическим дорожкам и секторам, которые формируются на диске в результате операции форматирования. Одним из параметров накопителя на жестких дисках является форм-фактор, который означает диаметр дисков в дюймах (1, 3; 1, 8; 2, 5; 3, 5; 5, 25).

Накопители на магнитных дисках 28

Накопители на магнитных дисках 29 Головки чтения-записи могут синхронно перемещаться в горизонтальном и вертикальном направлении (это показано стрелками), что позволяет им приблизиться к любой точке поверхности диска. Каждая точка поверхности рассматривается как отдельный бит внешней памяти.

Накопители на оптических дисках Оптический диск - собирательное название для носителей информации, выполненных в виде дисков, чтение с которых ведётся с помощью оптического излучения. Диск обычно плоский, его основа сделана из поликарбоната, на который нанесён специальный слой, который и служит для хранения информации. Для считывания информации используется обычно луч лазера, который направляется на специальный слой и отражается от него. При отражении луч модулируется мельчайшими выемками «питами» (от англ. pit — «ямка» , «углубление» ) на специальном слое, на основании декодирования этих изменений устройством чтения восстанавливается записанная на диск информация. 30

Накопители на оптических дисках Компакт-диск с нестираемой информацией, предназначенный только для многократного чтения пользователем, – это CD-ROM (Compact Disk – Read Only Memory). Компакт-диски DVD-R и CD-R предназначены для однократной записи и многократного чтения, а диски CD-RW и DVD-RW – для многократных записи и чтения информации. 31

Флэш память Электронная микросхема EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) – стираемое перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ). Память такого типа может стираться и заполняться данными несколько десятков тысяч раз. Используется в твердотельных накопителях. Одной из разновидностей EPROM является флэш-память. Во флэш-накопителях применяется полупроводниковая память. 32

Слоты расширения 33 Слот расширения - разъём, соединённый с системной шиной и предназначенный для установки дополнительных модулей (карт расширения), расширяющих конфигурацию устройства (ЭВМ). Примеры типов слотов расширения (по названию включающих их компьютерных шин или архитектур): AGP, Apple II, Compact. PCI, EISA, Mini PCI, Nubus, PCI Express, PCI-X, PCMCIA, PDS, Q-Bus, VESA Local Bus, VMEbus.

Сканеры 34 Сканеры используются для ввода растровой графической информации (также для этого используются цифровые фотокамеры). К основным параметрам планшетного сканера относятся разрешающая способность и динамический диапазон. Разрешающая способность планшетного сканера определяется количеством точек на дюйм и зависит от технических особенностей модели сканера. Динамический диапазон – это логарифм отношения яркости наиболее светлых участков изображения к яркости наиболее темных участков. В сканерах и цифровых фотокамерах используются ПЗС-матрицы, преобразующие оптический сигнал в цифровой.

Планшетные сканеры 35

Сканеры штрих-кодов 36

Принтеры Принтер - периферийное устройство компьютера, предназначенное для перевода текста или графики на физический носитель из электронного вида. По принципу переноса изображения на носитель принтеры делятся на: • матричные; • лазерные (также светодиодные принтеры); • струйные; • сублимационные • твердочернильные 37

Принтеры К основным параметрам лазерных принтеров относятся разрешающая способность (dpi – количество точек на дюйм), буфер печати (Мбайт), производительность (стр/мин), формат бумаги (А 4). 38

Модемы Модем - устройство, применяющееся в системах связи для физического сопряжения информационного сигнала со средой его распространения, где он не может существовать без адаптации, и выполняющее функцию модуляции при передаче сигнала и демодуляции приёме сигнала из канала связи (чаще всего в речевом диапазоне). 39

Звуковые карты Звуковая карта - дополнительное оборудование персонального компьютера, позволяющее обрабатывать звук (выводить на акустические системы и/или записывать). На момент появления звуковые платы представляли собой отдельные карты расширения, устанавливаемые в соответствующий слот. В современных материнских платах представлены в виде интегрированного в материнскую плату аппаратного кодека (согласно спецификации Intel AC’ 97 или Intel HD Audio). 40

Звуковые карты Важнейшим параметром кодирования звука является частота дискретизации звука, то есть количество преобразований аналогового звука в цифровую форму, выполняемых за одну секунду. При квантовании звука определяется номер подуровня квантования, в который попадает дискретное значение звукового давления. Количество бит, используемых для записи номеров подуровней, называется глубиной кодирования звука. Чем больше частота дискретизации и глубина кодирования, тем выше качество звука и тем больше при воспроизведении он будет похож на оригинал. 41

Звуковые карты Для синтеза звука используются два основных метода: метод частотной модуляции ( FM – Frequency Modulation) и метод волновых таблиц ( WT – Wave Table). Второй метод обеспечивает более высокое качество звука. 42