Лекции по "Информатике"

2. Принцип однородности памяти: программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Компьютер не различает, что хранится в ячейке памяти — число, текст или команда и выполняет действия, как  над данными, так и над командами.

3. Принцип адресности памяти: основная память состоит из пронумерованных ячеек, каждая из которых доступна процессору.

4. Что такое команда?

Команда — это инструкция операции, которую должен выполнить компьютер.

В общем случае, команда содержит следующую информацию:

код операции, адреса для исходных операндов и  для результата.

В зависимости от количества операндов, команды бывают:

           одноадресные, двухадресные, трехадресные и переменноадресные.

Команды хранятся в ячейках памяти в двоичном коде.

В современных компьютерах длина команд переменная (от двух до четырех байтов).

В адресной части команды может быть указан  сам операнд (число или символ) или адрес операнда, или адрес адреса операнда.

 

5. Как выполняется команда?

Процесс выполнения команд разбивается на следующие этапы:

• из ячейки памяти, адрес которой хранится в счетчике команд, выбирается очередная команда; содержимое счетчика команд при этом увеличивается на длину команды;
• выбранная команда передается в устройство управления на регистр команд;
• устройство управления расшифровывает адресное поле команды;
• по сигналам УУ операнды считываются из памяти и записываются в АЛУ на специальные регистры операндов;
• УУ расшифровывает код операции и выдает в АЛУ сигнал выполнить соответствующую операцию над данными операндами;
• результат операции либо остается в процессоре, либо отправляется в память, если в команде был указан адрес результата;
• все предыдущие этапы повторяются до достижения команды “стоп”.

 

6. Понятие об архитектуре и структуре компьютера

При рассмотрении компьютеров принято различать их архитектуру и структуру.

Архитектурой компьютера называется его описание на общем уровне, включающее описание возможностей программирования, системы команд и адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств.

Структура компьютера — это есть совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем.

Наиболее распространены следующие архитектурные решения.

· Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа . Это однопроцессорный компьютер. (см. рис.2)

К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой системной магистралью.

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных микросхем. Совокупность линий магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.

Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через контроллеры — специальные устройства управления периферийными устройствами.

Контроллер — это устройство, которое связывает периферийное оборудование с центральным процессором, освобождая процессор от управления оборудованием.

Рис. 2. Архитектура компьютера.

 

7. Многопроцессорная архитектура.

При наличии в компьютере нескольких процессоров параллельно может быть обработано много потоков данных и команд. Так что, параллельно могут выполняться разные фрагменты одной задачи.

· Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров вычислительной системы не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою.

Эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен решении задач, имеющих специальную структуру: она должна разбиваться на столько подзадач, сколько компьютеров в системе.

 Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. При этом множество данных может обрабатываться по одной программе — то есть по одному потоку команд.

Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных.

Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.

 

8. Основные блоки персонального компьютера.

Современный персональный компьютер состоит из нескольких основных компонент: системного блока, монитора, клавиатуры и манипуляторов.

В системном блоке размещаются: блок питания, накопитель на жёстких магнитных дисках, накопитель на гибких магнитных дисках,  системная плата, платы расширения, накопитель CD-ROM и др.

Системная плата является основной в системном блоке. Она содержит компоненты, определяющие архитектуру компьютера:

центральный процессор; постоянную (ROM) и оперативную (RAM) память, кэш-память; интерфейсные схемы шин; гнёзда расширения; обязательные системные средства ввода-вывода и др.

Системные платы исполняются на основе наборов микросхем, которые называются чипсетами (ChipSets). Часто на системных платах устанавливают и контроллеры дисковых накопителей, видеоадаптер, контроллеры портов и др.

В гнёзда расширения – слоты системной платы устанавливаются платы таких периферийных устройств, как модем, сетевая плата, видеоплата и т.п.

 

9. Устройство персонального компьютера.

Персональным компьютером (ПК) называют универсальный микрокомпьютер, рассчитанный на одного пользователя. Персональные компьютеры обычно проектируются на основе принципа открытой архитектуры.

 

Принцип открытой архитектуры заключается в следующем: Регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация (совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Поэтому, компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-изготовителями. Компьютер расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних разъемов, в которые можно вставлять разнообразные устройства, удовлетворяющие стандарту, и устанавливать необходимую конфигурацию машины.

Для того, чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера, они должны иметь одинаковый интерфейс.

Интерфейс — это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой.

Если интерфейс принят на уровне международных соглашений, то он называется стандартным.

Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связан с шиной определённого типа — адресной, управляющей или шиной данных.

Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты.

Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных схем, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

Порты устройств представляют собой электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора.

Портами также называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы).

Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами — побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно.

К последовательному порту обычно подсоединяют медленно действующие устройства, такие, как мышь и модем. К параллельному порту подсоединяют более "быстрые" устройства — принтер и сканер. Через игровой порт подсоединяется джойстик. Клавиатура и монитор подключаются к своим специализированным портам, которые представляют просто разъёмы.

Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру компьютера, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской (MotherBoard). А контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения  и подключаются к шине с помощью разъёмов расширения, называемых также слотами расширения.

 

10. Что такое центральный процессор?

Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) —основной компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, а также управляет вычислительным процессом,  координируя работу устройств компьютера.

Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

• арифметико-логическое устройство;
• шины данных и шины адресов;
• регистры, счетчики команд УУ;
• кэш память — очень быструю память малого объема;
• математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния, на которой размещены электронные схемы, реализующие все функции процессора.

 

11. Принципы построения памяти

Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов — битов, объединенных в группы по 8 битов, которые называются байтами.

Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.

Байты могут объединяться в ячейки, которые называются словами, имеющих два, четыре или восемь байтов. Как правило, в одном машинном слове может быть представлено либо одно большое число, либо одна команда.  Допускаются переменные форматы представления информации.

Разбиение памяти на слова для четырехбайтовых компьютеров представлено в таблице:

 

Байт 0	Байт 1	Байт 2	Байт 3	Байт 4	Байт 5	Байт 6	Байт7
ПОЛУСЛОВО		ПОЛУСЛОВО		ПОЛУСЛОВО		ПОЛУСЛОВО
СЛОВО				СЛОВО
ДВОЙНОЕ СЛОВО

 

 

Широко используются и более крупные производные единицы объема памяти: Килобайт, Мегабайт, Гигабайт, а также, в последнее время, Терабайт и Петабайт.

Современные компьютеры имеют много разнообразных запоминающих устройств, которые отличаются между собой по назначению, временным характеристикам, объёму хранимой информации.

Различают два основных вида памяти — внутреннюю и внешнюю.

 

 

12. Устройства внутренней памяти

 

В состав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-память и специальная память.

 Оперативная память

Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory — память с произвольным доступом) — это быстрое запоминающее устройство не очень большого объёма, связанное с процессором, которое   предназначено для записи, считывания и хранения программ и данных.

Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ и когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой, что означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.

Объем ОЗУ современных компьютеров составляет от 256 Мбайт до 4 Гбайт. Обычно ОЗУ исполняется  на интегральных микросхемах памяти DDR (динамическое ОЗУ), которые обладают высоким быстродействием. Современные микросхемы имеют ёмкость 16-32 Мбайт и более. Они устанавливаются в корпуса и собираются в модули памяти.

Время доступа к памяти обычно составляет 60 – 80 наносекунд.

 

Кэш-память