Архитектура персонального компьютера.

Обычно ПЭВМ включает три основных устройства: системный блок, клавиатуру и дисплей (монитор).

Однако для расширения функциональных возможностей ПЭВМ можно подключить различные дополнительные периферийные устройства, в частности: печатающие устройства (принтеры), накопители на магнитной ленте (стриммеры), различные манипуляторы (мышь, джойстик, трекбол, световое перо), устройства оптического считывания изображений (сканеры), графопостроители (плоттеры) и др.

Эти устройства подсоединяются к системному блоку с помощью кабелей через специальные гнезда (разъемы), которые размещаются обычно на задней стенке системного блока.

В некоторых моделях ПЭВМ при наличии свободных гнезд дополнительные устройства вставляются непосредственно в системный блок, например, модем для обмена информацией с другими ПЭВМ через телефонную связь или стриммер для хранения больших массивов информации на МЛ. Нортон П. Персональный компьютер фирмы IBM и опера-ционная система MS DOS: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1991.

ПЭВМ, как правило, имеет модульную структуру. Все модули связаны с системной магистралью (шиной).

Системная магистраль. Она выполняется в виде совокупности шин, используемых для передачи данных, адресов и управляющих сигналов. Количество линий в адресно-информационной шине определяется разрядностью кодов адреса и данных, а количество линий в шине управления - числом управляющих сигналов, используемых в ПЭВМ.

Системный блок. Являясь главным в ПЭВМ, этот блок включает в свой состав: центральный микропроцессор, сопроцессор, модули оперативной и постоянной памяти, контролле-ры, накопители на магнитных дисках и другие функциональные модули. Набор модулей определяется типом ПЭВМ. Пользо-ватели по своему желанию могут изменять конфигурацию ПЭВМ, подключая дополнительные периферийные устройства.

В системный блок может быть встроено звуковое устройство, с помощью которого пользователю удобно следить за работой машины, вовремя обращать внимание на возникшие сбои в отдельных устройствах или на возникновение необычной ситуации при решении задачи на ПЭВМ. Гольц Г. Рабочие станции и информационные сети/ Пер. с англ. В.П. Нестерова; Под ред. П.В. Нестерова. - М.: Машиност-роение, 1990.

Со звуковым устройством часто связан таймер, позволяющий вести отсчет времени работы машины, фиксировать календар-ное время, указывать на окончание заданного промежутка времени при выполнении той или иной задачи.

Контроллеры (К). Эти устройства служат для управления внешними устройствами. Каждому ВУ соответствует - свой контроллер. Электронные модули-контроллеры реализуются на отдельных печатных платах, вставляемых внутрь системного блока. Такие платы часто называют адаптерами ВУ (от адаптировать - приспосабливать). После получения команды от микропроцессора контроллер функционирует автономно, освобождая микропроцессор от выполнения специфических функций, требуемых для того или другого конкретного ВУ.

Контроллер содержит регистры двух типов - регистр состояния (управления) и регистр данных. Эти регистры часто называют портами ввода-вывода. За каждым портом закреплен определенный номер - адрес порта. Через порты пользователь может управлять ВУ, используя команды ввода-вывода. Программа, выполняющая по обращению из основной выполняемой программы операции ввода-вывода для конкретного устройства или группы устройств ПЭВМ, входит в состав ядра операционной системы ПЭВМ. Вершинин ОД. Компьютер для школ, 1990.

Для ускорения обмена информацией между микропроцессором и внешними устройствами в ПЭВМ используется прямой доступ к памяти (ПДП). Контроллер ПДП, получив сигнал запроса от внешнего устройства, принимает управление обменом на себя и обеспечивает обмен данными с ОП, минуя центральный микропроцессор. В это время микропроцессор продолжает без прерывания выполнять текущую программу. Прямой доступ к памяти, с одной стороны, освобождает микропроцессор от непосредственного обмена между памятью и внешними устройствами, а с другой стороны, позволяет значительно быстрее по сравнению с режимом прерываний удовлетворять запросы на обмен.

Микропроцессор. Ядром любой ПЭВМ является центральный микропроцессор, который выполняет функции обработки информации и управления работой всех блоков ПЭВМ.

Конструктивно МП, как правило, выполнен на одном кристал-ле (на одной СБИС). В состав МП входят:

* схема формирования действительных адресов операндов для обращения к оперативной памяти;

* схемы управления системной шиной и др. Рассмотрим структуру и функционирование микропроцессора на примере разработанной фирмой Intel модели 486.

АЛУ выполняет логические операции, а также арифмети-ческие операции в двоичной системе счисления и в двоично-десятичном коде, причем арифметические операции над числами, представленными в форме с плавающей точкой, реализуются в специальном блоке. В некоторых конфигурациях с этой целью используется арифметический сопроцессор. Он имеет собственные регистры данных и управления, работает параллельно с центральным МП, обрабатывает данные с плавающей точкой.

Устройство управления микропроцессорного типа обеспечи-вает конвейерную обработку данных с помощью блока предварительной выборки (очереди команд).

Блок предварительной выборки команд и данных осуществляет заполнение очереди команд длиной 32 байта, причем выборка байтов из памяти выполняется в промежутках между магистральными циклами команд.

Производительность микропроцессора значительно повышается за счет буферизации часто используемых команд и данных во внутренней КЭШ-памяти размером (в данном случае) 8 Кбайт. При этом сокращается число обращений к внешней памяти. Внутренняя КЭШ-память имеет несколько режимов работы, что обеспечивает гибкость отладки и выполнения рабочих программ.

Блоки формирования адресов операндов (диспетчер памяти) состоит из блока сегментации и блока страничной адресации. Физический адрес ячейки памяти формируется последовательно: сначала в пределах сегмента, а затем в пределах страницы.

В МП i486 реализуются два режима работы - режим реальных адресов и многозадачный режим (защищенный режим).

В режиме реальных адресов выполняется расширенный набор команд над 32-разрядными операндами. В этом режиме МП i486 работает совместимо с МП i086. При работе МП i486 в режиме реальных адресов применяется относительная адресация.

В многозадачном (защищенном) режиме работы МП i486 применяется виртуальная адресация, соединяющая сегментацию памяти и страничную адресацию.

Сегментация памяти является средством управления пространством логических адресов. Сегментированная память представляет собой набор блоков, характеризуемых определенными атрибутами, такими, как расположение, размер, тип (стек, программа, данные), класс защиты памяти. В МП i486 каждой задаче доступно, до 16384 сегментов размером до 4 Гбайт каждый. Таким образом, каждая задача может использовать до 64 Тбайт виртуальной памяти.

Страничная адресация действует на более низком уровне. Каждый сегмент делится на страницы размером по 4 Кбайт, которые могут размещаться в любом месте памяти.

Сегментация полезна для организации в памяти локальных модулей. Это инструмент прикладного программиста, в то время как страничное распределение удобно системному программисту для эффективного использования физической памяти ПЭВМ.

В состав внутренней памяти МП входят доступные программисту функциональные регистры: регистры общего назначения, указатель команд, регистр флагов и регистры сегментов.

Восемь 32-разрядных регистров общего назначения используются для хранения данных и адресов. Они обеспечивают работу с данными разрядностью 1, 8, 16, 32 и 64 бита и адресами размером 16 и 32 бита. Каждый из таких регистров имеет свое имя, например ЕАХ или ESP.

32-разрядный указатель команд содержит смещение при определении адреса следующей команды.

32-разрядный регистр флагов указывает признаки результата выполнения команды.

Регистры сегментов содержат значения селекторов сегмен-тов, определяющих текущие адресуемые сегменты памяти.

Кроме вышеуказанных, регистровая память МП содержит регистры процессора обработки чисел с плавающей точкой, системные и некоторые другие регистры.

Устройство управления микропроцессора обеспечивает многозадачность. Многозадачность - способ организации работы ПЭВМ, при котором в ее памяти одновременно содержатся программы и данные для выполнения нескольких задач. В составе МП i486 имеются аппаратно-программные средства, позволяющие эффективно организовать многозадачный режим, в том числе системы прерывания и защиты памяти.

Система прерываний обрабатывает запросы на прерывание, как от внешних устройств, так и от внутренних блоков МП. Поступление запроса на прерывание от внутреннего блока МП свидетельствует о возникновении исключительной ситуации, например о переполнении разрядной сетки. Внешнее прерывание может быть связано с обслуживанием запросов от периферийных устройств. Требуя своевременного обслуживания, внешнее устройство посылает запрос прерывания микропроцессору. Микропроцессор в ответ приостанавливает нормальное выполнение текущей программы и переходит на обработку этого запроса, чтобы в дальнейшем выполнить определенные действия по вводу-выводу данных. После совершения таких действий происходит возврат к прерванной программе. МП i486 способен обрабатывать до 256 различных типов прерываний, причем первые 32 типа отведены для внутрисистемных целей и недоступны пользователю.

Зашита памяти от несанкционированного доступа в много-задачном режиме осуществляется с помощью системы привиле-гий, регулирующих доступ к тому или иному сегменту памяти в зависимости от уровня его защищенности и степени важности.

Защищенность определяется уровнем привилегии, требуемым для доступа к соответствующему сегменту. Уровни привилегии задаются номерами от 0 до 3. Наиболее защищенная область памяти - отведенная под ядро операционной системы - имеет уровень 0. При обращении программы к сегментам программ или данных в защищенном режиме происходит проверка уровня привилегии, и в случае, если этот уровень недостаточен, происходит прерывание.

Обмен информацией между блоками МП происходит через магистраль микропроцессора, включающую 32-разрядную шину адреса, 32-разрядную двунаправленную шину данных и шину управления.

Шина адреса используется для передачи адресов ячеек памяти и регистров для обмена информацией с внешними устройствами.

Шина данных обеспечивает передачу информации между МП, памятью и периферийными устройствами. По этой шине возможна пересылка 32, 16 и 8-разрядных данных. Шина двунаправленная, т.е. позволяет осуществлять пересылку данных, как в прямом, так и в обратном направлении.

Шина управления предназначена для передачи управляющих сигналов - управления памятью, управления обменом данных, запросов на прерывание и т.д.

Внутренняя память ПЭВМ состоит из оперативной памяти и постоянной памяти (ПП).

Оперативная память (ОП) ПЭВМ. Она построена на БИС или СБИС и является энергозависимой: при отключении питания информация в ОП теряется. В оперативной памяти хранятся исполняемые машинные программы, исходные и промежуточные данные и результаты. Емкость ОП в ПЭВМ измеряется в Килобайтах и Мегабайтах. Иногда адресное пространство увеличивается до Гигабайта. В наиболее распространенных конфигурациях ПЭВМ емкость ОП составляет 1-16 Мбайт.

В ОП обычно выделяется область, называемая стеком. Обращение к стековой памяти возможно только в той ячейке, которая адресуется указателем стека. Стек удобен при орга-низации прерываний и обращении к подпрограммам.

Постоянная память (ПП). Она является энергонезависимой, используется для хранения системных программ, в частности, так называемой базовой системы ввода-вывода (BIOS - Basic Input and Output System), вспомогательных программ и т.п. Программы, хранящиеся в ПП, предназначены для постоянного использования микропроцессором.

12. Принципы построения компьютеров, предложенные Дж. фон Нейманом

Джон фон Нейман (1903 – 1957) – американский математик, внесший большой вклад в создание первых ЭВМ и разработку методов их применения. Именно он заложил основы учения об архитектуре вычислительных машин, подключившись к созданию первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC в 1944 году, когда ее конструкция была уже выбрана. В процессе работы, во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г.Голдстайном и А.Берксом, Джон фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. В 1946 году ученые изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства». С тех пор прошло более полувека, но выдвинутые в ней положения сохраняют свою актуальность и сегодня.

В статье убедительно обосновывается использование двоичной системы для представления чисел, в ведь ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде. Авторы продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации – текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.

Еще одной революционной идеей, значение которой трудно переоценить, является предложенный Нейманом принцип «хранимой программы». Первоначально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например, для изменения программы машины ENIAC требовалось несколько дней, в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут – выходили из строя лампы, которых было огромное количество. Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.

Джон фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ), обычно объединяемые в центральный процессор, в который также входит набор регистров общего назначения (РОН) – для промежуточного хранения информации в процессе ее обработки; память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Следует отметить, что внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком.

Архитектура ЭВМ, построенная на принципах Джон фон Неймана.

Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные – управляющих сигналов.

13. Информационные технологии и программное обеспечение.

Информационные технологии (ИТ, от англ. information technology, IT) — широкий класс дисциплин и областей деятельности, относящихся к технологиям создания, управления и обработки данных, в том числе с применением вычислительной техники. В последнее время под информационными технологиями чаще всего понимают компьютерные технологии. В частности, ИТ имеют дело с использованием компьютеров и программного обеспечения для хранения, преобразования, защиты, обработки, передачи и получения информации. Специалистов по компьютерной технике и программированию часто называют ИТ-специалистами.

Согласно определению, принятому ЮНЕСКО, ИТ — это комплекс взаимосвязанных научных, технологических, инженерных дисциплин, изучающих методы эффективной организации труда людей, занятых обработкой и хранением информации; вычислительную технику и методы организации и взаимодействия с людьми и производственным оборудованием, их практические приложения, а также связанные со всем этим социальные, экономические и культурные проблемы. Сами ИТ требуют сложной подготовки, больших первоначальных затрат и наукоемкой техники. Их внедрение должно начинаться с создания математического обеспечения, формирования информационных потоков в системах подготовки специалистов.

компьютерная обработка информации по заданным алгоритмам;

хранение больших объёмов информации на машинных носителях;

передача информации на значительные расстояния в ограниченное время.

В широком понимании ИТ охватывает все области передачи, хранения и восприятия информации и не только компьютерные технологии. При этом ИТ часто ассоциируют именно с компьютерными технологиями, и это не случайно: появление компьютеров вывело ИТ на новый уровень. Как когда-то телевидение, а ещё ранее печатное дело. При этом основой ИТ являются технологии обработки, хранения и восприятия информации.

Програ́ммное обеспе́чение (допустимо также произношение обеспече́ние[2][3][4][5]), ПО — совокупность программ системы обработки информации и программных документов[6], необходимых для эксплуатации этих программ (ГОСТ 19781-90[7]).

Также — совокупность программ, процедур и правил, а также документации, относящихся к функционированию системы обработки данных (СТ ИСО 2382/1-84)[7].

Программное обеспечение является одним из видов обеспечения вычислительной системы, наряду с техническим (аппаратным), математическим, информационным, лингвистическим, организационным и методическим обеспечением[8].

В компьютерном сленге часто используется слово софт от английского слова software, которое в этом смысле впервые применил в статье в American Mathematical Monthly математик из Принстонского университета Джон Тьюки (англ. John W. Tukey) в 1958 году.

Программное обеспечение принято по назначению подразделять на системное, прикладное и инструментальное, а по способу распространения и использования на несвободное/закрытое, открытое и свободное. Свободное программное обеспечение может распространяться, устанавливаться и использоваться на любых компьютерах дома, в офисах, школах, вузах, а также коммерческих и государственных учреждениях без ограничений.

14. Группы программного обеспечения. Операционные системы и их классы.

Программа – это упорядоченная последовательность команд для компьютера, записанная на специальном языке и помещенная в файл. Как они создаются? Для начала нужно знать для чего нужна программа, что она должна выполнять. Потом на специальном машинном языке человек пишет нужную программу, используя команды, понятные для компьютера. Такой процесс создания программ, называется программированием.

Совокупность программ и данных, предназначенных для их обработки, называется программным обеспечением ПК. Некоторые программы встроены в постоянную память компьютера, но их мало. В основном они хранятся на дискетах, винчестерах, дисках.

Все программы можно разбить на три группы:

*прикладные программы. Т.е. каждая из этих программ служит для решения конкретной задачи (например, для создания текста существует программа текстовый редактор LEXICON, MS Word; табличные процессоры - MS Excell, 1C; для создания рисунка – графический редактор, Paint, PhotoShop, CorelDraw).

*инструментальные программы. Эти программы служат для создания новых программ, написанных на различных языках программирования. Visual Basic, Delphi, Pascal, C++.

* системные программы. Они служат для управления работой ПК и выполняют различные операции по обслуживанию пользователя. Таких программ очень мало, но они очень важны, т.к. без них не сможет работать ни одна другая программа. Системные программы связывают все устройства ПК в единую систему, поэтому называются системными.

Среди системных программ можно выделить следующие группы программ:

программы-операционные системы. Они управляют работой ПК.

*Программы-оболочки (надстройки над ОС). Они служат для более удобного общения человека с компьютером, т.е. обеспечивают удобный интерфейс. NC, FAR, Windows Commander.

*Программы-операционные оболочки. По мимо удобного интерфейса позволяют пользователю выполнять ряд операций, не предусмотренных в ОС.

*Программы-утилиты. Вспомогательные программы: архиваторы, антивирусные программы. (DrWeb, Касперский, WinZip, WinRar, PkZip)

Все многообразие программ, используемых на современном компьютере, называется программным обеспечением - ПО (software).

Программы, составляющие ПО, можно разделить на три группы: системное ПО, системы программирования, прикладное ПО. Ядром системного ПО является операционная система (ОС).

ОС - это неотъемлемая часть ПО, управляющая техническими средствами компьютера (hardware).. Операционная система - это программа, координирующая действия вычислительной машины; под ее управлением осуществляется выполнение программ.

1. Обмен данными между компьютером и различными периферийными устройствами (терминалами, принтерами, гибкими дисками, жесткими дисками и т.д.). Такой обмен данными называется "ввод/вывод данных".

2. Обеспечение системы организации и хранения файлов.

3. Загрузка программ в память и обеспечение их выполнения.

ОС – это комплекс взаимосвязанных системных программ, назначение которого – организовать взаимодействие пользователя с компьютером и выполнение всех других программ.

базовый модуль (ядро ОС)- управляет работой программы и файловой системой, обеспечивает доступ к ней и обмен файлами между периферийными устройствами;

командный процессор - расшифровывает и исполняет команды пользователя, поступающие прежде всего через клавиатуру;

драйверы периферийных устройств - программно обеспечивают согласованность работы этих устройств с процессором (каждое периферийное устройство обрабатывает информацию по разному и в различном темпе);

дополнительные сервисные программы (утилиты) - делают удобным и многосторонним процесс общения пользователя с компьютером.

Загрузка ОС. Файлы, составляющие ОС, хранятся на диске, поэтому система называется дисковой операционной (ДОС). Известно, что для их выполнения программы - и, следовательно, файлы ОС - должны находится в оперативной памяти (ОЗУ). Однако, чтобы произвести запись ОС в ОЗУ, необходимо выполнить программу загрузку, которой сразу после включения компьютера в ОЗУ нет. Выход из этой ситуации состоит в последовательной, поэтапной загрузке ОС в оперативную память.

Первый этап загрузки ОС. В системном блоке компьютера находится постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, постоянная память, ROM-Read Only Memory - память с доступом только для чтения), в котором содержатся программы тестирования блоков компьютера и первого этапа загрузки ОС. Они начинают выполнятся с первым импульсом тока при включении компьютера. На этом этапе процессор обращаются к диску и проверяет наличие на определенном месте (в начале диска) очень небольшой программы - загрузчика. Если эта программа обнаружена, то она считывается в ОЗУ и ей передается управление.

Второй этап загрузки ОС. Программа - загрузчик, в свою очередь, ищет на диске базовый модуль ОС, переписывает его память и передает ему управление.

Третий этап загрузки ОС. В состав базового модуля входит основной загрузчик, который ищет остальные модули ОС и считывает их в ОЗУ. После окончания загрузки ОС управление передается командному процессору и на экране появляется приглашение системы к вводу команды пользователя.

Заметим, что в оперативной памяти во время работы компьютера обязательно должны находится базовый модуль ОС и командный процессор. Следовательно, нет необходимости загружать в оперативную память все файлы ОС одновременно. Драйверы устройств и утилиты могут подгружаться в ОЗУ по мере необходимости, что позволяет уменьшать обязательный объем оперативной памяти, отводимый под системное программное обеспечение.

Первая задача ОС – организация связи, общения пользователя с компьютером в целом и его отдельными устройствами. Такое общение осуществляется с помощью команд, которые в том или ином виде человек сообщает операционной системе. В ранних вариантах операционных систем такие команды просто вводились с клавиатуры в специальную строку. В последующем были созданы программы – оболочки ОС, которые позволяют общаться не только с ОС не только текстовым языком команд, а с помощью меню (в том числе пиктографического) или манипуляций с графическими объектами.

Вторая задача ОС – организация взаимодействия всех блоков компьютера в процессе выполнения программы, которую назначил пользователь для решения задачи. В частности, ОС организует и следит за размещением в оперативной памяти и на диске нужных для работы программы данных, обеспечивает своевременное подключение устройств компьютера по требованию программы и т.п.

Третья задача ОС – обеспечение так называемых системных работ, которые бывает необходимо выполнить для пользователя. Сюда относится проверка, “лечение” и форматирование диска, удаление и восстановление файлов, организация файловой системы и т.п. Обычно такие работы осуществляются с помощью специальных программ, входящих в ОС и называемых утилитами.

Операционная система выполняет роль связующего звена между аппаратурой компьютера, с одной стороны, и выполняемыми программами, а также пользователем, с другой стороны.

ОС обычно хранится во внешней памяти компьютера – на диске. При включении компьютера она считывается с дисковой памяти и размещается в ОЗУ.

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: