Структурная схема ПЭВМ. Назначение и характеристики основных устройств, входящих в состав системного блока.

Способы классификации ЭВМ.

В общем случае ЭВМ можно классифицировать по ряду признаков.

1. По принципу действия ЭВМ делятся на три больших класса в зависимости от формы представления информации, с которой они работают:

· АВМ – аналоговые вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины (чаще всего электрического напряжения);

· ЦВМ – цифровые вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной (цифровой) форме;

· ГВМ – гибридные вычислительные машины комбинированного действия работают с информацией, представленной как в цифровой, так и в аналоговой форме. ГВМ совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ. Их целесообразно использовать для решения задач управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

2. По назначению ЭВМ можно разделить на три группы:

· универсальные ЭВМ предназначены для решения самых различных инженерно-технических задач: экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных. Они широко используются в вычислительных центрах коллективного пользования и в других мощных вычислительных комплексах. Характерными чертами универсальных ЭВМ является: высокая производительность; разнообразие форм обрабатываемых данных при большом диапазоне их изменения и высокой степени их представления; обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логических, так и специальных; большая емкость оперативной памяти; развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств;

· проблемно-ориентированные ЭВМ служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими процессами. Они используются для регистрации, накопления и обработки относительно небольших объемов данных, выполнения расчетов по относительно несложным алгоритмам. Проблемно-ориентированные ЭВМ обладают ограниченными по сравнению с универсальными ЭВМ аппаратными и программными ресурсами;

· специализированные ЭВМ используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Узкая ориентация ЭВМ позволяет четко определить их структуру, существенно снизить сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы. К специализированным ЭВМ можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения, а также адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.

3. По размерам и функциональным возможностям ЭВМ делятся на:

· сверхбольшие (суперЭВМ) – мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов - десятки миллиардов операций в секунду с объемом оперативной памяти в десятки Гбайт. В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч суперЭВМ, таких как Cray 3, Cray 4, Cray Y-MP C90 фирмы CrayResearch, Cyber 205 фирмы ControlData, SХ-3 и SХ-Х фирмы NЕС, VP 2000 фирмы Fujitsu (Япония), VРР 500 фирмы Siemens (ФРГ). Среди лучших суперЭВМ можно отметить и суперкомпьютер "СКИФ", созданный в рамках союзного договора между Россией и Беларусью.

· большие ЭВМ чаще всего называют мэйнфреймами (Mainframe). К мэйнфреймам относят, как правило, компьютеры, имеющие производительность десятки миллионов операций в секунду, емкость памяти до 1000 Мбайт и многопользовательский режим работы. Основные направления эффективного применения мэйнфреймов – это решение научно-технических задач, работа в вычислительных системах с пакетной обработкой информации, работа с большими базами данных, управление вычислительными сетями и их ресурсами. Родоначальником современных больших ЭВМ является фирма IBM.

малые (мини-ЭВМ) используются чаще всего для управления технологическими процессами. Они более компактны и значительно дешевле больших ЭВМ. Их появление (70 годы прошлого столетия) обусловлено, с одной стороны, прогрессом в области электронной элементной базы, а с другой – избыточностью ресурсов больших ЭВМ для ряда приложений. Мини-ЭВМ имеют быстродействие десятки миллионов операций в секунду, объем оперативной памяти 512 Мбайт, и могут также поддерживать многопользовательский режим. Первыми мини ЭВМ были компьютеры РDР-11 (ProgramDrivenProcessor – программно-управляемый процессор) фирмы DЕС, США. Они явились прообразом советских мини ЭВМ (СМ ЭВМ): CM 1, 2,3,4,1400,1700 и др.

· сверхмалые (микро-ЭВМ) обязаны своим появлением изобретению микропроцессора, наличие которого служило первоначально определяющим признаком микроЭВМ, хотя сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах ЭВМ. Микро-ЭВМ делятся на универсальные и специализированные; в свою очередь и универсальные и специализированные микро-ЭВМ делятся на многопользовательские и однопользовательские:

- Универсальные многопользовательские микроЭВМ представляют собой мощные микроЭВМ, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям.

- Универсальная однопользовательская микро-ЭВМ – это ничто иное, как хорошо известный персональный компьютер (ПК).

- Специализированные многопользовательские микро-ЭВМ используются в сетевых вычислительных системах и называются серверами.

- Специализированные однопользовательские микро-ЭВМ представляют собой рабочие станции, и используются для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и др.).

Следует отметить, что приведенная выше классификация ЭВМ носит достаточно условный характер и может быть расширена по ряду других признаков.

Персональный компьютер (ПК) в первую очередь является общедоступной ЭВМ и обладает определенной универсальностью.

В общем случае, для удовлетворения потребностей пользователя ПК должен обладать следующими свойствами:

· иметь относительно небольшую стоимость, находящуюся в пределах доступности для индивидуального покупателя;

· обеспечивать автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;

· обеспечивать гибкость архитектуры, делающей возможным ее перестройку для разнообразных применений в сфере управления, науки, образования, в быту;

· операционная система и программное обеспечение должно быть достаточно простым, чтобы с ПК мог работать пользователь без профессиональной специальной подготовки;

· высокую надежность работы (более 5000 ч наработки на отказ).

В соответствии с международным стандартом-спецификацией PC99 ПК по назначению делятся на следующие категории:

1. массовый ПК (Consumer);

2. деловой ПК (Office PC);

3. портативный ПК (Mobile PC);

4. рабочая станция (Workstation PC);

5. развлекательный ПК (Entertainment PC).

Большинство ПК, присутствующих в настоящее время на рынке, попадают в категорию массовых ПК. Для деловых ПК минимизированы требования к средствам воспроизведения графики, а к средствам работы со звуковыми данными требования вообще не предъявляются. Для портативных ПК обязательным является наличие средств для создания соединений удаленного доступа, то есть средств компьютерной связи. В категории рабочих станций повышены требования к устройствам хранения данных, а в категории развлекательных ПК – к средствам воспроизведения звука и видео.

Попоколениям ПК подразделяются:

· ПК 1-го поколения - используют 8-битные микропроцессоры;

· ПК 2-го поколения - используют 16-битные микропроцессоры;

· ПК 3-го поколения. -используют 32-битные микропроцессоры;

· ПК 4-го поколения - используют 64-битные микропроцессоры.

ПК можно также разделить на две большие группы: стационарные и переносные. К переносным компьютерам относятся ноутбуки, электронные записные книжки, секретари и блокноты.

Конструктивно типовой комплект состоит из системного блока, монитора, клавиатуры, мыши и печатающего устройства (принтера).

Внутри системного блока находятся два из трех основных структурных составляющих: процессор и память.

Системный блок включает:

1) системную (материнскую) плату, где расположены процессор, оперативная и постоянная память, которые выполнены в виде больших интегральных микросхем (БИС). Кроме них на системной плате расположены генератор тактовых импульсов (ГТИ) и специальные переключатели, которые необходимы для обеспечения работы компьютера при выбранном составе внешних устройств.

2) адаптеры, контроллеры и порты – устройства, обеспечивающие связь с внешними устройствами;

3) накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД), на гибких магнитных дисках (НГМД), на оптических дисках (НОД);

4) блок питания.

Примечание. Конструктивно адаптеры, контроллеры могут располагаться непосредственно на системной плате.

Монитор, клавиатура, мышь и принтер являются базовыми устройствами ввода/вывода, обеспечивающими минимально необходимые функции ПК.

С помощью клавиатуры пользователем в ПК вводится символьно-цифровая информация.

Монитор (экран)служит для отображения информации в удобном для пользователя виде. Мониторы в настоящее время подразделяются на мониторы с электронно-лучевой трубкой и жидко кристальные мониторы. Размеры мониторов измеряются в дюймах (^||) по диагонали. Стандартными являются 14^||, 15^||,17^||,19^||,22^|| - мониторы. Кроме размеров важнейшей характеристикой монитора является частота обновления. Чем выше частота обновления, тем лучше качество изображения. Современные мониторы работают на частоте 75, 85, 100 или 120 Гц. Наилучшим качеством отличаются мониторы фирм LG и Samsung.

Мышь позволяет в графической среде WINDOWS осуществлять управление курсором на экране монитора, а также запускать выполнение команд и программ. Мыши бывают механические и оптические.

С помощью принтера осуществляется вывод информации на бумажные носители. В зависимости от способа и принципа печати принтеры делятся на лазерные, струйные (чернильные) и матричные (игольчатые). Наиболее распространенными в настоящее время на рынке являются принтеры фирм Hewlett-Packard, Epson, Lexmark, Xerox.

Структурная схема ПК представлена на рисунке

Микропроцессор (МП) является основным элементом ПК и предназначен для управления работой всего ПК, а также для выполнения арифметических и логических операций. В настоящее время наиболее распространенными моделями являются микропроцессоры Pentium, Celeron фирмы Intel и Athlon фирмы AMD. В состав микропроцессора входят:

· арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор);

· регистры общего назначения (РОН) – это быстродействующие ячейки памяти, используемые в основном как различные счетчики и указатели на адресное пространство ПК. В современных микропроцессорах имеется шестнадцать 64 –х битных регистров общего назначения. Обращение к регистрам позволяет значительно увеличить быстродействие выполняемой программы;

· кэш-память – блок высокоскоростной памяти, в которую копируются данные, извлеченные из оперативной памяти. Такое сохранение основных команд позволяет повысить производительность процессора. Современные микропроцессоры имеют кэш-память первого (L1) и второго (L2) уровней. Кэш-память первого уровня (L1), как правило, имеет объем 128 Кбайт, емкость кэш- памяти второго уровня достигает 1 Мбайта;

· устройство управления (УУ) формирует и подает во все элементы ПК в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций;

схемы управления шиной реализуют сопряжение и связь с другими устройствами ПК через системную шину.

Основные характеристики микропроцессоров: тактовая частота, разрядность и архитектура.

Тактовая частота - это скорость выполнения элементарных операций в секунду (тактов одной операции).

Разрядность - количество разрядов одновременно участвующих в выполнении операции, т.е. разрядность ячеек памяти - 8-разрядные, 16-разрядные, 32-разрядные, 64-разрядные. В связи с этим существуют 8-разрядные, 16-разрядные, 32-разрядные, 64-разрядные микропроцессоры.

В настоящее время получают распространение многоядерные микропроцессоры.

Системная шина обеспечивает сопряжение и связь всех устройств ПК между собой. Системная шина обеспечивает передачу информации между всеми устройствами системного блока. Современные системные шины имеют разрядность 64 бита и тактовую частоту до 800 МГц.

Генератор тактовых импульсов (ГТИ) генерирует последовательность электрических импульсов. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик ПК и во многом определяет скорость его работы, так как каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов. Современные ПК имеют тактовую частоту до 3,6 ГГц.

Внутренняя память предназначена для хранения и обмена информацией. Внутренняя память содержит два вида запоминающих устройств:

· постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, в английской литературе ROM – readonlymemory) – служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (изменить информацию в ПЗУ нельзя!). В ПЗУ хранятся программы самотестирования ПК при включении питания, программы начальной загрузки операционной системы, программы установки конфигурации системы и некоторые другие. Наряду с постоянной памятью используется энергонезависимая полупостоянная память (ППЗУ, CMOS), хранящая параметры конфигурации компьютера, она может быть изменена.

· оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, RAM – randomaccessmemory) – предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка ОЗУ следует отменить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость). Современные ПК имеет ОЗУ объемом 128 или 256 Мбайт.

Видеоадаптеры (видеокарты) предназначены для подключения монитора к компьютеру. Физически они осуществляют формирование сигнала для отображения на дисплее данных и синхронизирующими сигналами -горизонтальной и (строчной) и вертикальной (кадровой) развертки. В настоящее время широко используется стандарт SVGA (SuperVideoGraphicsArray). Видеоустройства, поддерживающий стандарт SVGA, способны отображать до 16,8 миллионов цветов и обеспечивают максимально качественное изображение, приближенное к натуральному цвету.

Контроллеры НЖМД, НГМД и НОД представляют собой специализированные устройства, обеспечивающие подключение и функционирование накопителя на жестких магнитных диска (НЖМД -«винчестер»), накопителя на гибких магнитных дисках (НГМД- дискета) и накопителя на оптических дисках (CD-диск) соответственно.

Сетевой адаптер (сетевая плата)является устройством для подключения ПК к локальной компьютерной сети. Наиболее распространенными в настоящее время являются сетевые адаптеры, функционирующие на основе технологии Ethernet и FastEthernet и обеспечивающие скорости передачи данных 10 и 100 Мбит/с соответственно.

Порты (интерфейсы) представляют собой совокупность программных и аппаратных средств для подключения внешних устройств. Конструктивно порты на системном блоке представляют собой стандартные разъемы. Параллельные порты (LPT) позволяет передавать за один такт целый байт информации и применяется для быстрой связи на небольших расстояниях. Последовательные порты (COM) за один такт передают один бит и, в общем случае, работает медленнее, но позволяет передавать данные на большие расстояния. Следует, однако, отметить, что современные последовательные порты типа USB и IEEE1394 превосходят по скорости параллельные, и поэтому вытесняют последние. Специальные порты служат для подключения клавиатуры, микрофона и динамиков (для управления последними используется з вуковая карта – мультимедийное устройство, позволяющее воспроизводить музыку и внятную человеческую речь). Игровой порт служит для подключения специального механического устройства джойстика, используемого в компьютерных играх.

Слоты расширения представляют собой пустые разъемы на системной плате, куда могут вставляться дополнительные внутренние устройства.

Память ПК – это совокупность отдельных устройств, которые запоминают, хранят и выдают информацию. Отдельные устройства памяти называются запоминающими устройствами (ЗУ). Производительность ПК во многом зависит от состава и характеристик запоминающих устройств, которые в свою очередь различаются принципом действия и назначением. Основными операциями с памятью являются процедуры записи и считывания (выборки). Общее название указанных процедур носит название обращение к памяти. Основные характеристики памяти – это емкость и быстродействие (время обращение к памяти).

Емкость ЗУ измеряется в Байтах (1Байт = 8 Бит), Килобайтах (1 Кбайт= 2¹⁰ Байт), Мегабайтах (1Мбайт= 2¹⁰ Кбайт), Гигабайта (1Гбайт= 2¹⁰ Мбайт), Терабайтах (1Тбайт= 2¹⁰ Гбайт).

Быстродействие измеряется в секундах и в настоящее время находится в пределах от 10 ^–2 до 10 ^–9 секунд в зависимости от способа доступа к информации.

По способу доступа к хранящейся в них информации ЗУ делятся на: ЗУ с произвольным, прямым и последовательным доступом.

В ЗУ с произвольным доступом время обращения не зависит от места нахождения данных. Такой доступ реализован в регистрах общего назначения, КЭШ-памяти и внутренней памяти ПК.

Носитель информации в ЗУ с прямым доступом непрерывно вращается, в результате данные доступны через некоторый фиксированный промежуток времени. К ЗУ с прямым доступом относятся НЖМД, НМГД, НОД.

ЗУ с последовательным доступом, прежде чем найти необходимые данные, «просматривает» все предыдущие участки памяти. Последовательный доступ реализована в ЗУ, использующих магнитную ленту, например, в стримерах.

Следует отметить, что требования, предъявляемые к емкости и быстродействию ЗУ, являются взаимно противоречивыми с точки зрения технической реализации. Поэтому для эффективного функционирования в ПК память строится по иерархическому принципу, где на разных уровнях иерархии находятся ЗУ, обладающие различными характеристиками. Иерархическая структура памяти ПК представлена на рис. 2.3.

При движении от 1-го до 3-го уровня иерархии быстродействие ЗУ уменьшается, а емкость увеличивается.

Иерархическая организация памяти позволяет повысить производительность ПК и предоставить пользователю практически неограниченную емкость памяти.

Назначение и основные характеристики ЗУ 1-го уровня были описаны в пункте 2.4.3. Рассмотрим 2-й и 3-й уровень иерархии памяти ПК.

НЖМД (HDD – harddiskdrive) в обиходе называют "винчестером". В отличие от оперативной памяти, НЖМД гарантируют долговременное хранение информации, для чего не требуется постоянное питание компьютера от внешнего источника электроэнергии. Для записи данных в жестких дисках используется магнитный слой, который покрывает пластины (диски), вращающиеся внутри винчестера с огромными скоростями. Вдоль пластин перемещаются головки чтения/записи. Основными характеристика современных НЖМД являются: емкость (до 100 Гбайт); количество пластин (до 10 штук); среднее время поиска информации (меньше 20 мс); скорость вращения пластин (до 15000 об/мин); вес (меньше 100 г). Основными производителями НЖМД являются фирмы IBM, Seegate, Toshiba, Fujitsu, Samsung.

НГМД (FDD – floppydiskdrive) представляет собой устройство чтения/записи сменных гибких дисков (флоппи-дисков, дискет). Флоппи-диски размером 3,5'' (89 мм) используются только для переноса относительно небольших (1,44 Mбайт) объемов информации между компьютерами. Данные на гибких дисках хранятся подобно данным на винчестере за тем лишь исключением, что диск во флоппи-дисководе вращается с много меньшей скоростью и он всего один. Из-за недостаточной герметизации дискеты чаще всего выходят из строя. Таким образом, как носитель информации флоппи-диск крайне ненадежен и в настоящее время применяется все реже.

НОД являются в настоящее время самыми надежными и широко распространенными ЗУ внешней памяти. Считывание информации с оптического диска происходит за счёт регистрации изменений интенсивности отраженного от алюминиевого слоя излучения маломощного лазера. НОД подразделяются на: CD- ROM (CompactDiscReadOnlyMemory) – компакт- диск только для чтения; CD-R (CompactDiscRecordable) – однократно записываемый компакт- диск; CD-RW (CompactDiscRewritable)– перезаписываемый компакт-диск; DVD (DigitalVersatileDisk) – универсальный цифровой диск.

Стандартный оптический диск CD имеет емкость порядка 650–800 Мбайт, емкость DVD диск достигает от 4,7 до 17 Гбайт.

Архивная память ПК предназначена для длительного и надежного хранения программ и данных. Как видно из рисунка 2.3 хранить информацию можно на дискетах, оптических дисках, съемных НЖМД, магнитной ленте и флэш-памяти. Поскольку трое первых носителей информации описаны выше, а съемный НЖМД принципиально не отличается от обычного НЖМД, отметим основные свойства флэш-памяти.

Флэш-память представляет собой особый вид энергонезависимой перезаписываемой полупроводниковой памяти. Это означает, что она не требует дополнительной энергии для хранения данных (энергия требуется только для записи), допускает изменение (перезапись) хранимых в ней данных и не содержит механически движущихся частей (как обычные НЖМД или НОД) и построена на основе интегральных микросхем.

Информация, записанная на флэш-память, может храниться очень длительное время (несколько десятков лет) и способна выдерживать значительные механические нагрузки (в 5-10 раз превышающие предельно допустимые для обычных НЖМД).

Размер носителя флэш-памяти составляет от 20 до 40 мм в длину, в ширину и толщина до 3 мм, емкость достигает 256 Гбайт, в зависимости от типа флэш-памяти возможна перезапись информации от 10 тысяч до 1млн раз.

Благодаря низкому энергопотреблению, компактности, долговечности и относительно высокому быстродействию, флэш-память идеально подходит для использования в качестве накопителя не только в ПК, но и в таких портативных устройствах, как цифровые фото- и видео-камеры, мобильные телефоны, портативные компьютеры, MP3-плейеры, цифровые диктофоны, и т.п. В ближайшие годы флэш-память будет самым применяемым компактным накопителем информации, постепенно вытесняя привычные дискеты.

Билет 22.