Лекция 6 Персональные компьютеры. Учебные вопросы. 1. Классификация и типы компьютеров. 2. Устройство и структурная схема ПК. 3. Состав и назначение основных блоков ПК. 1
1. Классификация и типы компьютеров. Классификация: 1. по принципу действия(аналоговые, цифровые, гибридные); 2. по этапам создания. Выделяют несколько поколений компьютеров. Первое — 1943— 1950. Вычислительный элемент(ВЭ) — электронные лампы. Быстродействие — до нескольких десятков тысяч операций в секунду. Второе — 1950— 1964. ВЭ — транзисторы. Быстродействие — до 1— 2 млн. операций в секунду. Третье -- 1964— 1971. ВЭ -- интегральные схемы. Быстродействие. — до 300 млн. операций в секунду. Четвертое— 1971— 1981. Вычислительный элемент—микропроцессоры. Быстродействие — миллиарды операций в секунду. Пятое – 1981 - 1990 гг. ЭВМ с десятками параллельно работающих микропроцессоров и ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах, одновременно выполняющих десятки последовательных команд программы. Шестое и последующие поколения 1991 г: Оптоэлектронные ЭВМ с массовым параллелизмом и нейронной структурой, т. е. с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) несложных микропроцессоров, моделирующих построение нейронных биологических систем. 3. по назначению: универсальные, проблемно-ориентированные, специализированные. 4. по размерам и функциональным возможностям: 2
. Параметр Супер. ЭВМ Большие ЭВМ Малые ЭВМ Микро. ЭВМ Производительн ость 1000 -100000 10 -1000 1 -100 Емкость ОП, Мбайт 2000 -10000 64 -10000 4 -512 4 -256 Емкость ВЗУ, Гбайт 500 -5000 50 -1000 2 -1000 5 -10 Разрядность, бит 64 -128 32 -64 16 -64 3
5. по платформам. Основные платформы ПК: IBM, Apple, Amiga, 6. по использованию. Настольный компьютер (Desktop) — самый распространенный сегодня тип, обладает самыми большими возможностями среди ПК. Домашние компьютеры — универсалы, которые умеют всего понемножку. Упор здесь делается на развлечение, на мультимедийность и игровые возможности. Рабочие станции — компьютеры, предназначенные для узкого круга задач(работа с текстом и электронными таблицами. Серверы — компьютеры-распорядители. Их работа — контролировать локальную сеть предприятия или узел Интернет. Портативные компьютеры (ноутбуки) - весом не более 3 -5 килограммов. Настольные мини-компьютеры с корпусом в 4 раза меньше, чем у больших настольных компьютеров. Планшетные компьютеры (Tablet PC) - вид портативных компьютеров без клавиатуры и мышки. Текст вводится специальным электронным пером, а на значки нажимают пальцами. Субноутбуки - занимают места не больше, чем обычная книжка, а диагональ монитора не превышала 8 дюймов. Карманные компьютеры, выполняют функции органайзера и записной книжки. 4
1. Устройство и структурная схема ПК. Базовый комплект ПК состоит из трех основных элементов клавиатуры, системного блока, монитора. Расширение ПК: -манипуляторы (мышь, джойстик, трекбол, световое перо), -периферийные устройства (принтеры, накопители на магнитной ленте или иначе стримеры, сканеры, плоттеры ). Системный блок содержит: -процессор (одна или несколько микросхем или чипов; выполняет все вычислительные операции, программы, управляет всеми элементами ПК); -блок питания; -материнскую плату (несколько главных микросхем, составляющий т. к. называемый чипсет или набор микросхем); 5
-жесткий диск или винчестер; -видеокарту и звуковую карты; -контроллеры ( микросхемы, связывающие ПК с внешними устройствами). На материнской плате размещаются: • процессор • микропроцессорный комплект (чипсет) – набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы; • шины – наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера; • оперативная память(ОП) (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) – набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен; • ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) – микросхема, предназначенная длительного хранения данных, в том числе и когда компьютер выключен; • разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты). 6
Структурная схема ПК Джойстик Монитор Мышь Световое перо Модем Память экрана Микропроцессор ПП ОП АЛУ Система Регистры управления шиной УУ Контроллер Интерфейс манипул. Интерфейс других ВУ Последов. интерф. Системная шина Контроллер Послед. интерф. Сетевой адаптер ПУ К другим вычислит. системам НМЛ Интерфейс Клавиатура НГМД НЖМД 7
2. Состав и назначение основных блоков ПК. Процессор – основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления. Конструктивно процессор состоит из ячеек, данные в которых могут не только храниться, но и изменяться. Микропроцессор включает: 1). Устройство управления(УУ), которое подает управляющие импульсы от генератора тактовых импульсов во все блоки ЭВМ, формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, обеспечивает конвейерную обработку данных с помощью блока выбора очередности команд. . 2) Арифметическо – логическое устройство(АЛУ), выполняющее все арифметические и логические операции. Иногда к АЛУ подключается математический сопроцессор. 3)Регистры – микропроцессорная память, включающая КЭШ – память. 4) Систему управления шиной – реализует связь с другими блоками ПК. 8
Данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах. Некоторые регистры процессора в зависимости от своего содержания способны модифицировать исполнение команд. Управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных. На этом и основано исполнение программ. С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами. Адресная шина. У процессоров Intel Pentium адресная шина 32 разрядная, то есть состоит из 32 параллельных линий. Если на какой-то линии есть напряжение, то на ней выставлена единица, если нет, то ноль. Комбинация из 32 нулей и единиц образует 32 -разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров. Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на базе процессоров Intel Pentium, шина данных 64 -разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов данных. 9
Шина команд. Через эту шину команды поступают в процессор из тех областей оперативной памяти, где хранятся программы. Самые простые команды укладываются в один байт, однако есть и такие, для которых нужно два, три и более байтов памяти. В большинстве современных процессоров шина команд 32 -разрядная (например, в процессоре Intel Pentium), хотя существуют 64 -разрядные процессоры и даже 128 -разрядные. Система команд процессора. Процессор обрабатывает данные, находящиеся в его регистрах, в оперативной памяти и во внешних портах процессора. Часть данных он интерпретирует как данные, часть– как адресные данные, а часть – как команды. Совокупность команд, выполняемых процессором над данными, называется системой команд процессора. Процессоры из одного семейства имеют одинаковые или близкие системы команд. Совместимость процессоров. Если два процессора имеют одинаковую систему команд, то они совместимы на программном уровне. Программа, написанная для одного процессора, может исполняться и другим. Совместимость «сверху вниз» – способность нового процессора «понимать» все команды своих предшественников, но не наоборот. 10
Основными параметрами процессоров являются: рабочее напряжение, разрядность, тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти. Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). В настоящее время рабочее напряжение составляет менее 3 В. Понижение рабочего напряжения позволяет уменьшить расстояния между элементами в кристалле процессора до десятитысячных долей миллиметра, не опасаясь электрического пробоя. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать его производительность без угрозы перегрева. Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один такт. Современные процессоры семейства Intel Pentium остаются 32 -разрядными, хотя и работают с 64 -разрядной шиной данных (разрядность процессора определяется не разрядностью шины данных, а разрядностью командной шины). . 11
В основе работы процессора ПК лежит тактовый принцип. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. Тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени и выше его скорость работы. Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая, в отличие от процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводников и микросхем. По физическим причинам материнская плата не может работать со столь высокими частотами, как процессор. Сегодня ее предел составляет 100 -133 МГц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение частоты на коэффициент 3; 3, 5; 4; 4, 5; 5 и более. Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с ОП. Для уменьшения числа обращений к ОП используется кэш-память, к которой процессор обращается в первую очередь Если там нужных данных нет, происходит его обращение в ОП. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память. Часто кэш-память распределяют по нескольким уровням. Кэш первого уровня находится в том же кристалле, что и сам процессор, и имеет объем порядка десятков Кбайт. 12
Кэш второго уровня находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле, что и процессор, хотя и исполняется на отдельном кристалле. Кэш-память первого и второго уровня работает на частоте, согласованной с частотой процессора. Кэш-память третьего уровня выполняют на быстродействующих микросхемах и размещают на материнской плате вблизи процессора. Ее объемы могут достигать нескольких Мбайт, но работает она на частоте материнской платы. Оперативная память(ОП) (RAM — Random Access Memory — память с произвольным доступом) предназначена для хранения информации (программ и данных), используемой в выполняемом вычислительном процессе. ОП – это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. Существует много различных типов оперативной памяти, но с точки зрения физического принципа действия различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM). Ячейки динамической памяти (DRAM) можно представить в виде микроконденсаторов. Это наиболее распространенный и дешевый тип памяти. 13
Недостатки этого типа: 1). При заряде конденсаторов идут переходные процессы и данные записываются сравнительно медленно. 2). Заряды быстро рассеиваются в пространстве. Если оперативную память постоянно не «подзаряжать» , то через несколько сотых долей секунды происходит утрата данных. Подзарядка производится десятки раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы. Ячейки статической памяти (SRAM) называются триггерами и состоят из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти с более высокой скоростью, однако он дороже. Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной памяти компьютера. Микросхемы статической памяти используют в качестве вспомогательной памяти (так называемой кэшпамяти), предназначенной для оптимизации работы процессора. Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается числом. При 32 -разрядной адресации число независимых адресов равно 232= 4 294 967 296 байт (4, 3 Гбайт). Предельный размер поля оперативной памяти, установленной в ПК может составлять до нескольких сот Мбайт. ОП — энергозависимая память. При отключении напряжения информация, хранящаяся в ней, теряется. 14
Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках, называемых модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате. Основными характеристиками модулей оперативной памяти являются объем памяти и время доступа. SIMM-модули поставляются объемами 4, 8, 16, 32 Мбайт, а DIMM-модули – 16, 32, 64, 128 Мбайт и более. Время доступа - это время, необходимое для обращения к ячейкам памяти – чем оно меньше, тем лучше. Время доступа измеряется в миллиардных долях секунды (наносекундах, нс). Время доступа к ОП для SIММ-модулей — 50– 70 нс, а для DIMM-модулей - 7– 10 нс. Постоянная память (ПП) (ROM — Read-Only Memory) состоит из установленных на материнской плате модулей (кассет) и используется для хранения неизменяемой информации: загрузочных программ операционной системы, программ тестирования устройств компьютера и некоторых драйверов базовой системы ввода-вывода (BIOS — Base Input-Output System) и др. Запись информации в ПП выполняется, как правило, при изготовлении. Модули и кассеты ПП имеют емкость, не превышающую нескольких сот килобайт. ПП — энергонезависимое запоминающее устройство. Контроллеры – это микросхемы, которые управляют внешними устройствами ПК. 15
Скачать презентацию Лекция 6 Персональные компьютеры Учебные вопросы 1 Классификация
03090062МиИ-Лк08(ПК).ppt