Основной составляющей любого компьютера является Central Processor Unit (CPU) или процессор. Существует большое разнообразие процессоров со своей определенной системой команд. Схему работы процессора можно представить таким образом: процессор получает определенные заранее последовательности, которые представляют собой определенный ряд чисел, при этом каждое из них может быть расценено им в качестве команды, согласно заложенной в нем системой команд, или как ее еще называют - внутренней таблицей. В ней данные могут восприниматься по-разному, в зависимости от типа процессора. Стоит отметить, что интерпретация одного и того же числа в разных типах процессоров может быть различной, в том числе не содержать в себе команд. Это объясняется тем, что процессор принимает двоичные команды и программа, которая ориентирована на определенный тип процессора, не может быть прочитана и выполнена каким-либо другим его типом.
Память
После процессора стоит выделить еще одну важную составляющую часть любого компьютера – память, или запоминающее устройство. Принято выделять следующие виды памяти:
- ОЗУ, которое применяется с целью записи данных на компьютер и их дальнейшего чтения (например, запись выходных результатов работы программы с целью дальнейшей работы с ними на каком-либо внешнем устройстве);
- ПЗУ, которое хранит в памяти постоянные (неизменяемые в течение времени) данные.
Отличительной особенностью ОЗУ от ПЗУ является их энергозависимость. Так, ПЗУ сохраняет все записанные в него данные не зависимо от поступления энергии в компьютер, в то время как в ОЗУ, при отключении электропитания или других проблем, связанных с электричеством, безвозвратно может их потерять.
Кроме вышеперечисленных принято выделять еще один тип памяти, получивший большое распространение совсем недавно, а именно флэш-память (flash memory). Она имеет ряд общих черт с ОЗУ и ПЗУ. Как и в ПЗУ при проблемах, связанных с питанием компьютера, данные, записанные во флэш-памяти, сохраняются. Кроме того, организация такого вида памяти позволяет осуществлять программную запись данных, как в ОЗУ. Во втором случае стоит отметить незначительный недостаток предоставленной возможности – запись данных происходит с более низкой скоростью, чем в ОЗУ.
Память в компьютере представлена в виде ячеек, которые служат для обращения процессора к конкретному месту в памяти. Для этого все ячейки памяти имеют свой собственный идентификатор – уникальный адрес, представленный в числовом виде, который организован в виде матрицы. Запрос к конкретной ячейке происходит в результате обращения к ней процессора путем задания им номера строки и столбца матрицы, в которой она расположена. При этом для управления используют такие системные сигналы, такие как CAS и RAS, на которые можно наткнуться при настройке параметров BIOS, связанных с работой с памятью.
Старт любой программы начинается с необходимости загрузки ее данных в оперативную память, например с какого-либо внешнего устройства. При этом, загрузка может быть как полной, так и частичной. После того, как программа загружена, процессор с помощью определенных функций: счетчика команд, распознает и приводит к выполнению команды, полученные им из ОЗУ, т.е. для выполнения этих операций у него есть отведенный для выполнения данных операций регистр, содержащий ячейки, в которых хранится следующая по порядку выполнения команда. Перед тем, как программа передана к исполнению, в счетчике ее команд записан адрес ячейки, в которой находится первая к исполнению команда, во время работы – данный счетчик с каждым обращением к ячейкам увеличивается, т.е. наполнение данного регистра возрастает до исполнения следующей по порядку программы.
Рассмотренная модель раскрывает процесс запуска и исполнения программы на компьютере достаточно грубо. Стоит отметить, что в современных реалиях процессоры расширили свою функциональность, а именно: появилась возможность выполнение следующих по порядку команд до того, как завершилась предыдущая; инициирование исполнения нескольких команд может происходить единовременно и т.д. Но, несмотря на это, основная идея работы остается неизменной.
Устройства ввода-вывода
Для организации «общения» с человеком есть необходимость в обязательном обеспечении компьютера устройствами, как ввода, так и вывода информации. Наиболее распространенным и являющимся и по настоящее время основным устройством, которое выступает клавиатура. Ввод информации осуществляется за счет клавиш, на которых представлены буквы, числа и другие символы. Занесение информации в этом случае происходит следующим образом: клавиша передает уникальный, соответствующий ей двоичный код в компьютер, после этого программа, находящаяся в ПЗУ, изменяет полученные ею коды в вид, который можно использовать в программах. Для отображения результатов полученных в ходе работы за компьютером (например, текста, введенного с клавиатуры) нужно подсоединить к нему специальное устройство для вывода информации. Наиболее распространенным из таких устройств является монитор.
Для того чтобы вернуться к результатам проделанной ранее работы, необходимо его сохранить в какой-либо форме. Для этого были разработаны внешние накопители информации, позволяющие записать кроме основных результатов исполняемой программы, еще и ее текстовую составляющую (программный код). До изобретения таких накопителей люди активно использовали перфокарты. Примером их использования может быть запись в 80-х гг. для компьютеров обычных магнитофонных кассет, в этом случае «внешним накопителем информации» выступал магнитофон. В настоящее время для аналогичных целей применяют накопители расположенных на магнитных дисках, а так же лазерные диски.
Таким образом, был разобран общий принцип работы ПК и его составляющие в теории с ориентацией на прошлый опыт. Полученная информация позволит разобраться с той техникой, которая стоит на столах у большинства людей в настоящее время. Расположение тех или иных составных частей компьютера зависит от аппаратной платформы и организации, которая занималась их производством.
Посмотрите видео, в котором поясняется каким образом происходит копирование файла с флешки на рабочий стол ПК.
Компьютер представляет собой устройство, способное исполнять четко определенную последовательность операций, предписанную программой.
Понятие «компьютер» является более широким, чем понятие «электронно-вычислительная машина» (ЭВМ), поскольку в последнем акцент делается на вычисления. Персональный компьютер (ПК) отличается тем, что им может пользоваться один человек, не прибегая к помощи бригады обслуживающегр персонала и не отводя под него специального зала с устройства для поддержания климата, мощной системой элек-тропитанйя и прочими атрибутами больших вычислительных машин. Этот компьютер обычно ориентирован на интерактивное взаимодействие с одним пользователем (в играх иногда и с двумя), причем взаимодействие происходит через множество сред общения, от алфавитно-цифрового и графического диалога с помощью дисплея, клавиатуры и мыши до устройств виртуальной реальности, в которой пока не задействованы, наверное, только запахи.
Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 г. английским исследователем Моррисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них построено в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 Г.Джон фон Нейман:
Прежде всего компьютер должен иметь следующие устройства:
Арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;
Устройство управления, которое организует процесс выполнения программ;
Запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных;
Внешние устройства для ввода/вывода информации.
Память компьютера должна состоять из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываться данные либо инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть легко доступны для других устройств компьютера.
Связи между устройствами компьютера представлены на рис. 1.1 (одинарные линии показывают управляющие связи, двойные - информационные).
Рис. 2.1. Схема компьютера по Нейману
В общих чертах работу компьютера можно описать так. Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа. Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических или логарифмических операций, чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций или запись их результатов в память, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство.
Как правило, после выполнения одной команды устройство управления начинает выполнять команду из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему следует продолжить выполнение программы начиная с команды, содержащейся в некоторой другой ячейке памяти. Такой «скачок», или переход, в программе может выполняться не всегда, а только при выполнении некоторых условий, например, если некоторые числа равны, если в результате предыдущей арифметической операции получился нуль и та Это позволяет использовать одни и те же последовательности команд в программе много раз (т.е. организовывать цикл), выполнять различные последовательности команд в зависимости от выполнения определенных условий и т.д., т.е. создавать сложные программы.
Таким образом, управляющее устройство выполняет инструкции программы автоматически, без вмешательства человека. Оно может обмениваться информацией с оперативной памятью и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства как правило, работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, управляющее устройство может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода/вывода с внешним устройством. Все результаты выполненной программы должны быть ею выведены на внешнее устройство компьютера, после чего компьютер переходит к ожиданию каких-либо сигналов внешних устройств.
Следует заметить, что схема устройства современных компьютеров несколько отличается от приведенной выше. В частности, арифметико-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в одно устройство - центральный процессор. Кроме того, процесс выполнения программ может прерываться для неотложных действий, связанных с поступившими сигналами от внешних устройств компьютера. Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах. Тем не менее большинство современных компьютеров в основных чертах соответствуют принципам, изложенным фон Нейманом.
Персональные компьютеры, совместимые с IBM PC, делятся на несколько поколений (или классов) со следующими характерными особенностями:
IBM PC первой модели имел процессор Intel-8088, адресуемую память 1 Мбайт, шину расширения ISA (8 бит), накопители на гибких дисках (НГМД) до 360 Кбайт.
IBM PC/XT (Extended Technology - расширенная технология) - появились винчестеры - накопители на жестких дисках (НЖМД) и возможность установки математического сопроцессора Intel-8087.
IBM PC/AT (Advanced Technology - прогрессивная или «продвинутая» технология): процессор Intel-80286/80287, адресуемая память 16 Мбайт, шина ISA 16 бит, НГМД 1,2 и 1,44 Мбайт, НЖМД.
B настрящее время класс машин AT развивается в нескольких направлениях: 16-разрядный процессор заменен на 32-разрядный (386 и старше), память адресуется в пространстве нескольких десятков Гбайт, применяются более эффективные шины расширения (EISА, VLB, PCI) с сохранением ISA 16 бит как дешевой щины для обеспечения совместимости со старыми адаптерами, расширяется состав устройств, имеющих системную поддержку на уровне BIOS.
Компьютеры IBM имеют открытую архитектуру и собираются из набора устройств, позволяющих комбинировать множество вариантов. В отличие от них компьютеры Macintosh фирмы Apple поставляются в хорошо закрытом корпусе и практически нет возможности что либо изменить в них.
Обычно персональные компьютеры IBM PC состоят из трех частей (блоков):
Системного блока;
Клавиатуры, позволяющей вводить символы в компьютер;
Монитора (или дисплея) - для отображения текстовой иди графической информации.
Компьютеры выпускаются и в портативном варианте - в «наколенном » (лэптор), или «блокнотном» (ноутбук) исполнении. Здесь системный блок, монитор и клавиатура заключены в один корпус.
Системный блок является в компьютере «главным». В нем распрлагаются все основные узлы компьютера:
Электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессор, оперативная память, контроллеры устройств и т.д.
Блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный; ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;
Накопители (или дисководы), используемые для чтения и записи на гибкие магнитные диски (дискеты), CD, DVD;
Накопитель нз жестком магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на несъемный жесткий магнитный диск (винчестер).
Дополнительные устройства: к системному блоку компьютера IBM PC можно подключить различные устройства ввода/вывода информации, расширяя тем самым его функциональные возможности. Многие устройства подсоединяются через специальные гнезда (разъемы).
Кроме монитора и клавиатуры, такими устройствами являются:
Принтер - для вывода на печать текстовой и графической информации;
Мышь - устройство, облегчающее ввод информации в компьютер;
Джойстик -(для компьютерных игр).
Подключение этих устройств выполняется с помощью специальных проводов (кабелей). Для защиты от ошибок разъемы для кабелей сделаны разными. Некоторые кабели (например, для соединения монитора или принтера) закрепляются с помощью винтов.
Устройства могут вставляться внутрь системного блока компьютера, например:
Модем - для обмена информацией с другими компьютерами через телефонную сеть;
Факс-модем - сочетает возможности модема и телефакса.
Некоторые устройства, например многие разновидности сканеров, используют смешанный способ подключения: в системный блок компьютера вставляется только электронная плата (контроллер), управляющая работой устройства, а само устройство подсоединяется к этой плате кабелем.
Логическое устройство компьютера – процессор , выполняющий все вычисления и обработку информации. В компьютерах типа IBM PC используются процессоры фирмы Intel, а также совместимые с ними процессоры других фирм (AMD, Cyrix, IBM и др.).
В тех случаях, когда на компьютере приходится выполнять много математических вычислений к основному процессору добавляют математический сопроцессор . Он помогает основному процессору производить математические операции над вещественными числами. Сейчас микропроцессоры фирмы Intel сами выполняют эти операции, так что для них сопроцессор не требуется.
Следующим очень важным элементом компьютера является оперативная память . Именно из нее про цессор и сопроцессор берут программы и исходные данные для обработки; в нее они записывают полученные результаты. Назва ние «оперативная» эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память. Однако содержащиесяв ней данные сохраняются, только пока компьютер включен.
Для работы компьютера необходим обмен информацией между оперативной памятью и внешними устройствами. Такой обмен называется вводом/выводом. Но этот обмен не происходит непосредственно: между любым внешним устройством и оперативной памятью в компьютере имеются два промежуточных звена:
1. Для каждого внешнего устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером, или адаптером . Некоторые контроллеры (например, контроллеры дисков) могут управлять сразу несколькими устройствами.
2. Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, которую обычно называют шиной .
Для упрощения подключения устройств электронные схемы IBM PC состоят из нескольких модулей - электронных плат . На основной плате компьютера - системной (материнской) обычно располагаются основной процессор, сопроцессор, оперативная память, шины. Схемы, управляющие некоторыми внешними и дополнительными устройствами компьютера (контроллеры или адаптеры), находятся на отдельных платах, вставляющихся в унифицированные разъемы (слоты ) на материнской плате. Через эти разъемы контроллеры устройств подключаются непосредственно к системной магистрали передачи данных в компьютере - шине. Таким образом, наличие свободных разъемов шины обеспечивает возможность добавления к компьютеру новых устройств. Чтобы заменить одно устройство другим, надо вынуть соответствующую плату из разъема и вставить вместо нее другую.
Одним из контроллеров, которые присутствуют почти в каждом компьютере, является контроллер портов ввода/вывода . Эти порты бывают следующих типов:
Параллельные (обозначаемые LPT1 - LPT4), к ним обыкновенно подключаются принтеры;
Асинхронные последовательные (обозначаемые СОМ1 - COM3). Через них обычно подсоединяются мышь, модем и т.д.;
Игровой порт - для подключения джойстика. Некоторые устройства могут подключаться и к параллельным, и к последовательным портам. Параллельные порты выполняют ввод и вывод с большей скоростью, чем последовательные (за счет использования большого числа проводов в кабеле).
Комплектующие элементы IBM продаются в виде отдельных устройств. Преимущество такой поставки заключается в возможности создавать конфигурацию системы в соответствии со своими потребностями. Обычно предпочтительными оказываются варианты конфигурации, обеспечивающие большую гибкость системы.
Наиболее важные компоненты и параметры, определяющие достоинства системы IBM . К ним относятся следующие компоненты:
Микропроцессор (процессор);
Тактовая частота;
Объем памяти и скорость обращения к ней;
Объем памяти жесткого диска и скорость записи/считывания
Быстродействие является самым существенным параметром при использовании компьютера в «медленных» процессах, к которым относится издательская обработка текста. Такие операции, как «выключка» строк, размещение текста на странице, осуществление режима для совместного представления текста и графических изображений, требуют значительных затрат времени даже в лучших современных машинах.
Соответствующая организация управления работой процессора позволяет решать сразу несколько задач или обслуживать несколько пользователей. Распределение времени и ресурсов процессора между пользователями осуществляет операционная система.
В основу построения и работы практически всех компьютеров заложены общие фундаментальные принципы, сформулированные выдающимся американским математиком Джоном фон Нейманом. Формальная логическая организация компьютера была впервые представлена им в "Предварительном докладе о машине EDVAC" в 1945 г. Вот основные из принципов общего устройства компьютера:
1. Компьютер должен состоять из следующих основных устройств:
Арифметико-логического устройства (АЛУ), выполняющего арифметические и логические операции над данными;
Центрального устройства управления (ЦУУ), которое организует процесс автоматического выполнения программ;
Оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) для хранения программ и данных;
Внешнего запоминающего устройства (ВЗУ);
Внешних устройств ввода–вывода информации (УВВ).
2. Компьютер должен быть не механическим, а электронным.
3. Компьютер должен оперировать с двоичными числами при параллельной организации вычислений.
4. Алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов , которые определяют смысл операции. Эти управляющие слова названы командами. Совокупность команд, представляющая алгоритм решения задачи, называется программой .
5. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Команды от данных отличаются месторасположением в памяти, но не способом кодирования.
Такая организация получила название классической архитектуры фон Неймана и приведена на рис. 10.
Кратко рассмотрим некоторые важные принципы работы компьютера.
В отношении ОЗУ заложен принцип произвольного или прямого доступа . Это значит, что ОЗУ состоит из множества пронумерованных ячеек, в которых может храниться закодированная в двоичном коде любая информация (цифровые данные, текст, графические изображения и т.д.). Любому устройству компьютера в любой произвольный момент времени доступна любая ячейка по ее адресу (номеру) для записи или чтения. Время доступа для всех ячеек одинаково, независимо от того, обращаемся ли мы к первой от начала или последней ячейке памяти. Оперативная память энергозависима. При отключении питания информация в ней не сохраняется.
Поскольку каждая команда в компьютере представляется в двоичном коде, программа при выполнении может храниться в его памяти как любая другая информация. В этом состоит принцип хранения программы компьютера в самом компьютере (аналогично мозгу человека).
Принцип программного управления компьютером реализуется следующим образом. При запуске программы на исполнение операционная система загружает ее в оперативную память и передает в программный счетчик устройства управления адрес первой машинной команды программы. Эта команда может быть любой (выполнение арифметической или логической операции, чтение из памяти данных, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство и т.д.). По заданному адресу устройство управления считывает команду в регистр команд (там она хранится во время выполнения) и организует ее выполнение. Код команды расшифровывается и обрабатывается АЛУ путем выработки устройством управления последовательности управляющих импульсов, воздействующих на АЛУ и другие устройства. Схемы АЛУ переключаются в соответствии с ними и выполняют то, что определено командой. Адресная часть команды заносится в регистры адреса, откуда передается на шину адресов для пересылки данных в соответствии с выполняемой командой. Устройство управления по коду команды определяет ее длину, и после выполнения первой команды к заданному первоначальному адресу прибавляет длину в байтах выполненной команды, получая новый адрес, после чего считывает из памяти по этому адресу следующую команду программы. Поэтому в ячейках памяти, следующих за расположением первой команды, должна находиться именно вторая команда, а не что-то другое. Затем устройство управления организует выполнение второй команды, определяет адрес следующей и т.д. Таким образом, устройство управления выполняет программу автоматически без вмешательства человека, заставляя бесконечно переключаться схемы АЛУ из одного состояния в другое. Вот почему, в отличие от расположения данных, которые адресуются в командах, программа должна располагаться в оперативной памяти непрерывным участком. Иначе устройство управления не найдет следующую команду для выполнения.
Устройство управления вырабатывает серии управляющих импульсов, реализуя еще один важнейший принцип, вытекающий из принципа программного управления фон Неймана и являющийся его развитием – принцип микропрограммного управления. Выполнение любой машинной операции, например, сложения, выливается в довольно емкую последовательность элементарных действий: сдвигов влево или вправо при выравнивании порядков чисел, проверок условий выравнивания порядков, анализа цепочек переносов из одного разряда в другой при сложении мантисс и т.д. Такая последовательность действий управляется сериями импульсов (микрооперациями) , вырабатываемых устройством управления и воздействующих на схемы АЛУ. Для выполнения каждой такой микрооперации оказывается возможным задать простейший набор импульсов (микрокоманду ). Совокупности таких микрокоманд образуют своего рода программы для выполнения той или иной команды процессора. Эти программы хранятся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) процессора. Устройство управления, функции которого заключаются в том, чтобы считать очередную команду программы из памяти, расшифровать ее и подключить необходимые электронные схемы и цепи АЛУ для ее выполнения, после считывания команды, обращается к ПЗУ и вызывает необходимую программу из микроопераций, которая задает распределение серий импульсов по элементам АЛУ и другим устройствам, и выполняет команду процессора.
Таким образом, практически все команды машины реализуются путем выполнения определенного набора микропрограмм. Такой подход позволяет, во-первых, сравнительно легко расширять системы команд компьютера. Команды компьютеров становятся все более сложными и схемными методами распределения импульсов их уже не реализовать. Во-вторых, сравнительно просто решается задача совместимости компьютеров путем программирования команд других машин из имеющегося набора микрокоманд данной машины. Выполняется все это на фирме-изготовителе при создании процессора.
Порядок выполнения процессором последовательности команд может быть изменен, если в программе встречается команда условного или безусловного перехода на другой ее участок. В этом случае для устройства управления в самой команде перехода указывается адрес следующей команды, которую оно должно считывать для выполнения. Поскольку внешние устройства работают значительно медленнее, чем АЛУ и память, устройство управления может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода–вывода с внешним устройством, которая реализуется специальной машинной программой, состоящей из команд устройства.
Устройство управления совместно с операционной системой обеспечивает еще один из принципов работы компьютера – многозадачность – способ организации работы компьютера, при котором в его памяти одновременно находятся программы и данные для решения нескольких задач. Для этого имеются специальные аппаратно-программные средства диспетчеризации , в том числе системы прерываний и защиты памяти.
Суть прерываний заключается в следующем.Процессор выполняет программу, пока не возникает событие, требующее ее приостановления и выполнения других действий (например, ввод данных с клавиатуры или с диска, требование от системы диспетчеризации на выполнение другой программы, запрос от внутреннего таймера на обновление текущего времени и т.д.). Процессору выставляется запрос на прерывание, то есть подается специальная команда INT n, где n – номер прерывания. Процессор на некоторое время прекращает выполнение текущей программы и занимается обслуживанием прерывания. Так как любые действия процессор может выполнять только по программе, то и обслуживание прерывания он тоже осуществляет путем выполнения специальной программы – обработчика прерывания . Каждое событие или устройство, требующие внимания процессора, имеют свой номер прерывания и соответственно программу-обработчик. Данные из регистров процессора (адрес выполняемой команды, ее код и операнды, значения флагов и др.) перемещаются в специально организованный участок памяти – стек командами процессора PUSH регистр . В освободившиеся регистры процессора заносится первая команда программы-обработчика прерывания и процессор, не замечая, что это новая программа, выполняет уже ее. Заканчивается выполнение программы-обработчика прерывания несколькими командами процессора POP регистр , извлекающими из стека в его регистры запомненную там информацию, после чего по команде IRET процессор возвращается из прерывания и снова продолжает выполнять ранее прерванную программу.
Сама программа-обработчик тоже может быть прервана, как и любая другая программа, новым прерыванием, то есть прерывания могут многократно “накладываться” одно на другое. В этом случае чаще всего прерывания “маскируются” (на них накладывается маска – ставится специальный признак). Они не обслуживаются немедленно, а становятся в очередь и обрабатываются поочередно, одно за другим. Есть прерывания, которые не маскируются и не имеют на это права. Например, прерывание от источника питания должно немедленно обрабатываться вне всякой очереди.
Каждый номер прерывания имеет указатель адреса начала его программы-обработчика. Эти указатели называются векторами прерываний . Они состоят из 4-х байт каждый и хранятся в начале оперативной памяти. В байтах вектора прерывания и указывается адрес первой команды программы-обработчика этого прерывания.
Следует подчеркнуть, что большинство векторов прерываний содержат именно адреса программ-обработчиков. Вместе с тем некоторые адреса указывают не на программы-обработчики, а на специальные таблицы с информацией. Так, вектор 1Fh указывает на таблицу – знакогенератор, содержащую битовые комбинации (шаблоны символов), используемые ROM BIOS при выводе на экран монитора символов текста, а прерывания 41h и 46h указывают на таблицу с параметрами жесткого диска (винчестера). Такие вектора прерываний используются для удобства доступа к нужной информации, а не для выполнения программы-обработчика.
Прерывания программируются на любом языке программирования высокого уровня .
Управление прерываниями осуществляет специальная микросхема– контроллер прерываний.
Идея прерываний была выдвинута и реализована для взаимодействия процессора с внешним миром. Однако оказалось, что прерывания весьма полезны и для внутренней работы компьютера. Это привело к разработке трех типов прерываний, которые получили названия аппаратных, логических и программных . Между ними принципиальной разницы нет, но источники у них разные.
Источники аппаратных прерываний – аппаратные средства. Например, запрос на прерывание выставляется при падении напряжения источника питания, нажатии клавиши на клавиатуре, приходе очередного импульса от счетчика времени, возникновении специального сигнала от накопителей на гибких и жестких магнитных дисках и др. Каждому устройству на системной шине выделена специальная отдельная линия запроса прерывания (не путать с номером прерывания). Например, с номером 7-прерывание от параллельного порта LPT1 , с номером 1-прерывание от контроллера клавиатуры, с номером 3-прерывание от последовательных портов COM2 и COM4 и т.д. Всего, например, на системной шине ISA имеется 15 линий. Когда устройство хочет “пообщаться” с процессором, оно по своей линии запроса прерывания выдает сигнал контроллеру прерываний, а он формирует команду INT n и посылает ее процессору.
Логические прерывания формируются самим процессором, когда он встречает какое-либо необычное для него условие, например, деление на нуль, шаговый режим работы, переполнение регистров при выполнении арифметических операций и т.д. В многозадачных операционных системах типа Windows процессор может генерировать прерывание при обращении к странице памяти, которая в данный момент отсутствует в основной памяти (прерывание отсутствия).
Наиболее интересная и самая обширная категория – программные прерывания. Они вырабатываются, когда одна программа хочет получить определенный сервис со стороны другой программы. Обычно это запросы программ к операционной системе для получения какого-либо сервиса.
Прерывания с номерами 0 31 обслуживаются программами базовой системы ввода-вывода BIOS . Они называются прерываниями нижнего уровня . Эти прерывания управляют непосредственно аппаратными средствами компьютера и недоступны пользователю. Прерывания с номерами свыше 32 относятся к более высокому уровню, и их обслуживание возлагается на операционную систему.
Почти каждая процедура, обслуживающая прерывание с заданным номером, выполняет несколько различных операций. Поэтому программа-обработчик содержит несколько ссылок на вторичные программы прерывания (как бы подпрограммы). Иногда их называют функциями (службами) и внутри каждого прерывания различают по номеру, то есть каждой функции, как и прерыванию, присваивается свой номер. Так, например, прерывание с номером 10h (управление видеосистемой) включает в себя более 60 различных функций и подфункций для поддержания того или иного режима работы экрана (текстовый, графический, с определенным разрешением и количеством цветов и т.д.). Выполнение функций осуществляется так: в один из регистров (чаще всего АН ) процессора заносится номер функции и вызывается содержащее ее прерывание.
В Windows 9x (NT) программные прерывания как таковые отсутствуют, хотя сам принцип работы процессора остается неизменным. Процессор, в силу мультизадачности этих систем, постоянно работает в режиме прерываний (одновременно работает несколько программ, но процессор-то только один!). Такой режим работы обеспечивает метод диспетчеризации, предоставляющий операционной системе возможность захвата CPU в любой момент времени, независимо от состояния работающих в данный момент приложений. Это позволяет Windows время работы процессора предоставлять приложениям поочередно, с перерывами, которые из-за большого быстродействия процессора пользователь не замечает.
Приложения же получают любой сервис от Windows при помощи интерфейса прикладного программирования API Win32, который содержит более 2000 различных функций и макросов . Доступ ко всем функциям API Win 32 осуществляется по имени, а не по номерам, как к прерываниям. Например, для удаления файла вместо функций 41h или 7141h прерывания INT 21h MS-DOS, используется функция API WIN32 с именем DeleteFile(). Для поддержания всеми приложениями длинных имен файлов, введенных в Windows, фирма Microsoft расширила набор функций прерывания MS-DOS INT 21h , которые полностью эквивалентны функциям API WIN32 . Для того чтобы обратиться к любой функции, программист в тексте попросту использует ее имя. Так, для вызова функции MessageBox() в выполняемый файл при компоновке программы будет включена ссылка на точку входа номер 1 модуля User . Вызов приложением функции LineTo() будет заменен ссылкой на точку входа номер 19 модуля GDI (оба модуля являются ядром Windows). Во время загрузки программы в память Windows заменит эти ссылки адресами, по которым находятся указанные программы-функции. Любой модуль, предоставляющий подобные ссылки при компоновке, называется динамически компонуемой библиотекой (DLL ). Каждая DLL декларирует набор точек входа, которые соответствуют внешним ссылкам. Бóльшая часть Windows представляет собой совокупность DLL , которые используются для взаимодействия между различными компонентами.
Приложения MS-DOS, работающие под управлением Windows, по-прежнему используют прерывания, в частности 21h, включающее всевозможные функции, обеспечивающие услуги MS-DOS. Специальный модуль Windows преобразует эти прерывания в функции интерфейса API WIN32, которые фактически и выполняются.
Работа современных компьютеров без системы прерываний немыслима.
Защита памяти. Память адресуется сегментами и смещениями внутри сегмента. Возникновение сегментов связано с внутренней структурой процессоров фирмы Intel , в которых под адресацию памяти выделяются два регистра: в одном хранится адрес сегмента, а в другом – смещение внутри сегмента от его начала, например, 0040:0017. Сегментом является участок памяти. При 32-х разрядных регистрах процессора сегмент составляет около 4 Гбайт. Встроенный менеджер памяти за счет использования виртуальной памяти позволяет работать программам так, как будто имеется до 16536 сегментов доступных каждой задаче. В защищенном режиме работы процессора (основной режим работы современных процессоров) сегментный адрес является селектором (индексом-указателем) на дескриптор истинного адреса сег-
Мента (рис. 11). Дескрипторы группируются либо в частную для процесса локальную таблицу описателей (LDT ), либо в глобальную (GDT ), которая используется совместно с различными процессами .
Таблицы дескрипторов хранятся в ОЗУ, а информация об их местонахождении хранится в регистрах CPU специ-
Рис. 11 ального назначения. Каждый генерируемый CPU адрес включает селектор, который указывает, какую таблицу дескрипторов следует использовать и порядковый номер дескриптора в этой таблице. Позиции таблицы имеют длину в 8 байт. В каждой позиции хранится дескриптор – истинный адрес сегмента и его описание: пустой сегмент, хранит программу, хранит данные, используется только для чтения, уровень доступа к нему или привилегию.
От несанкционированного доступа к данным в многозадачном режиме защита осуществляется как раз с помощью системы привилегий, регламентирующих доступ к тому или иному сегменту памяти в зависимости от уровня его защищенности и степени важности. Уровни привилегии задаются номерами от 0 до 3. Наиболее защищенная область памяти, отводимая под ядро операционной системы, имеет уровень 0. При обращении программы к сегментам программ или данных в защищенном режиме работы процессора происходит проверка уровня привилегии и в случае, если этот уровень недостаточен, происходит прерывание.
В современных персональных компьютерах центральное устройство управления, АЛУ и ПЗУ процессора объединены в одной микросхеме, которая называется центральный микропроцессор (CPU ). Для краткости в дальнейшем будем называть его просто процессор. Ведущие мировые фирмы по производству микропроцессоров это, прежде всего, INTEL (INTegrated Elec-tronics), AMD (Advanced Micro Devices), CYRIX, Chips and Technologies и др.
Следует заметить, что обмен данными центральный процессор может осуществлять только с оперативной памятью. Любые другие устройства по отношению к процессору будут внешними. Поэтому данные для обработки с внешних устройств должны быть перемещены в оперативную память. Процесс перемещения с внешних устройств в ОЗУ данных и программ для выполнения, называется загрузкой. Почти во всех компьютерах имеется канал прямого доступа к памяти (DMA ) – аппаратный интерфейс, позволяющий устройству передавать информацию в оперативную память и получать ее из памяти без участия центрального процессора, но не все устройства могут его использовать. Поэтому процесс загрузки данных в память может отнимать время у процессора, который вынужден приостанавливать свою работу и осуществлять операции обмена данными.
Многие быстродействующие компьютеры выполняют параллельную обработку данных на нескольких процессорах. Тем не менее, большинство из них в основных чертах соответствуют принципам, изложенным Джоном фон Нейманом.
В этой статье, которая подготавливалась для начинающих пользователей, мы рассмотрим устройство компьютера . Также узнаем основные характеристики устройств и какие функции они выполняют.
Обычный персональный компьютер, который мы используем в нашей повседневной жизни состоит из таких частей:
Системного блока;
Монитора;
Клавиатуры и мыши;
Дополнительных устройств (принтер, сканер, веб-камера и др.)
Устройство персонального компьютера. Содержание статьи:
Системный блок
Системный блок — это центральная часть компьютера, в которой располагаются все самые важные составляющие. Всё, благодаря чему работает компьютер. Выпускаются самые разнообразные системные блоки, которые различаются по размерам, дизайну и способу сборки.
Основные элементы системного блока:
- Оперативная память;
- Видеокарта;
- Жёсткий диск;
- Оптический привод (DVD, Blu-ray);
- Блок питания
Давайте рассмотрим каждый из них подробнее.
Материнская плата – это самая большая плата системного блока. На ней устанавливаются основные устройства компьютера: процессор, оперативная память, видеокарта, слоты (разъёмы), BIOS, с помощью шлейфов и кабелей к материнской плате подключаются DVD-привод, жёсткий диск, клавиатура, мышь и др. Главная задача материнской платы – соединить все эти устройства и заставить их работать как одно целое. Кроме того на ней находятся контроллёры. Контроллёры – это электронные платы вставляемые в разъёмы (слоты) на материнской плате, они управляют устройствами подключаемыми к компьютеру. Некоторые контроллёры входят в состав материнской платы. Такие контроллёры называются интегрированными или встроенными. Так контролёры мыши и клавиатуры всегда являются встроенными. Добавляя и заменяя платы контроллёров можно расширять возможности компьютера и настраивать его под свои требования. Например пользователь может добавить дополнительную звуковую карту, которая может работать с новыми многоканальными акустическими системами.
Центральный процессор (ЦП, CPU) является главным элементом компьютера, его “мозгом”. Он отвечает за все вычисления и обработку информации. Кроме этого, он выполняет управление всеми устройствами компьютера. От его мощности зависит быстродействие компьютера и его возможности.
Основные характеристики центрального процессора:
- количество ядер
- тактовая частота
- сокет
Давайте рассмотрим их подробнее.
Количество ядер
Чем больше у процессора ядер, тем большее число операций он может выполнять одновременно. По сути, несколько ядер – это несколько процессоров, которые расположены на одном кристалле или в одном корпусе. В одноядерном процессоре команды, поступившие на его вход, последовательно проходят через нужные для их выполнения блоки, то есть пока процессором выполняется очередная команда, остальные ждут своей очереди. В многоядерном процессоре на вход приходят несколько отдельных потоков команд и данных и также раздельно выходят, не оказывая влияния друг на друга. За счёт параллельной обработки процессором нескольких потоков команд увеличивается производительность компьютера. Сегодня на персональные компьютеры устанавливаются, как правило, 2-8 ядерные процессоры. Однако не все программы рассчитаны на использование нескольких ядер.
Тактовая частота
Эта характеристика указывает на скорость выполнения команд центральным процессором. Такт – промежуток времени, необходимый для выполнения процессором элементарных операции.
В недалеком прошлом тактовую частоту центрального процессора отождествляли непосредственно с его производительностью, то есть чем выше тактовая частота процессора, тем он производительнее. На практике имеем ситуацию, когда процессоры с одинаковой частотой имеют разную производительность, потому что за один такт могут выполнять разное количество команд (в зависимости от конструкции ядра, пропускной способности шины, кэш-памяти). Современные процессоры работают на частотах от 1 до 4 ГГц (Гига Герц)
Кэш
Кэш применяется для значительного ускорения вычислений. Это встроенная в корпус процессора сверхбыстрая память, содержащая данные, к которым процессор часто обращается. Кэш-память может быть первого (L1), второго (L2) или третьего (L3) уровня.
Сокет
Сокет (socket) – это разъём (гнездо) на материнской плате, куда устанавливается процессор. Но когда мы говорим «сокет процессора», то подразумеваем под этим, как гнездо на материнской плате, так и поддержку данного сокета определенными моделями процессоров. Сокет нужен именно для того, чтобы можно было с легкостью заменить вышедший из строя процессор или модернизировать компьютер более мощным процессором.
Оперативная память
Следующий важный элемент компьютера, который находится в системном блоке – оперативная память (RAM или ОЗУ-оперативное запоминающие устройство). Именно в ней запоминаются обрабатываемая процессором информация и запущенные пользователем программы. Оперативной она называется потому, что предоставляет процессору быстрый доступ к данным.
DDR2
DDR3
Основные характеристики оперативной памяти:
- объём – измеряется в мегабайтах (Мбайт) или гигабайтах (Гбайт), значительно влияет на производительность компьютера. Из-за недостаточного объёма оперативной памяти многие программы или не станут загружаться, или будут выполняться очень медленно. В современном типичном компьютере используется как минимум 1 Гбайт памяти, хотя для удобной работы лучше иметь 2 или 3 Гбайта;
- частота шины – измеряется в мегагерцах (МГц), также оказывает большое влияние на скорость работы компьютера. Чем она больше, тем быстрее передача данных между процессором и самой памятью.
- тип памяти – указывает на поколение, к которому относится память. На сегодняшний день можно встретить оперативную память следующих типов (размещены по хронологии появления):
DDR SDRAM(100 – 267 МГц)
DDR2 SDRAM (400 – 1066 МГц)
DDR3 SDRAM(800 – 2400 МГц)
DDR4 SDRAM(1600 – 2400 МГц)
Видеокарта
Видеокарта | Устройство компьютера
Видеокарта – электронная плата, обеспечивающая формирования видеосигнала и тем самым определяет изображение, показываемое монитором. У существующих видеокарт разные возможности. Если на компьютере используются офисные программы, то особых требований к видеокарте не предъявляют. Другое дело игровой компьютер, в котором основную работу берёт на себя видеокарта, а центральному процессору отводится второстепенная роль.
Основные характеристики видеокарты:
- объём видеопамяти – измеряется в мегабайтах (Мбайт) или гигабайтах (Гбайт), влияет на максимальное разрешение монитора, количество цветов и скорость обработки изображения. На данное время производятся модели видеокарт с объёмом видеопамяти от 256 Мбайт до 6 Гбайт. Оптимальный средний объём 512 Мбайт или 1 Гбайт;
- разрядность шины видеопамяти – измеряется в битах, определяет объём данных, который можно одновременно передать из видеопамяти (в память). Стандартная разрядность шины современных видеокарт 256 бит;
- частота видеопамяти – измеряется в мегагерцах (МГц), чем выше, тем больше общая производительность видеокарты.
В настоящее время видеокарты производят на основе чипсетов nVidia GeForce и ATI Radeon.
Жёсткий диск
Жёсткий диск | Устройство компьютера
Жёсткий диск без верхней крышки | Устройство компьютера
Жёсткий диск, называемый также винчестером или HDD, предназначен для долговременного хранения информации. Именно на жестком диске вашего компьютера хранится вся информация: операционная система, нужные программы, документы, фотографии, фильмы, музыка и прочие файлы. Именно он является основным у стройством хранения информации в компьютере.
Для пользователя жёсткие диски различаются между собой прежде всего следующими характеристиками:
- ёмкостью (объёмом) – измеряется в гигабайтах (Гбайт) или терабайтах (Тбайт), определяет какой объём информации можно записать на жёсткий диск. На данный момент объём современного винчестера измеряется от нескольких сотен гигабайт до нескольких терабайт;
- быстродействием, которое складывается из времени доступа к информации и скорости чтения/записи информации. Типичное время доступа у современных дисков составляет 5-10 мс (миллисекунд), средняя скорость чтения/записи – 150 Мбайт/с (мегабайт в секунду);
- интерфейсом – типом контролёра, к которому должен подключаться жёсткий диск (чаще всего EIDE и различные варианты SATA).
DVD-привод
DVD-привод | Устройство компьютера
DVD-привод используется для чтения DVD и CD-дисков. Если в названии стоит приставка “RW”, то привод способен не только читать, но и записывать на диски.
Привод характеризуется скоростью чтения/записи и обозначается посредством множителя (1x, 2x и т.д.). Единица скорости здесь равна 1.385 мегабайт в секунду (Мб/с). То есть, когда на приводе указано значение скорости 8x, то действительная скорость будет составлять 8 * 1.385 Мб/с=11.08 Мб/с.
Blu-ray (Блю-рей) привод
Blu-ray (Блю-рей) привод | Устройство компьютера
Blu-ray приводы могут быть трёх видов: считывающие, комбо и пишущие. Считывающий Blu-ray привод может считывать CD, DVD и Blu-ray диски. Комбо может дополнительно записывать CD и DVD-диски. Пишущий Blu-ray привод может считывать и записывать все диски.
Блок питания
Блок питания снабжает электроэнергией устройства компьютера, и обычно продаётся вместе с корпусом. В настоящий момент производят блоки питания мощностью 450, 550 и 750 Ватт. Более мощные блоки питания (до 1500 Ватт) могут понадобиться компьютеру с мощной игровой видеокартой.
Монитор
Монитор предназначен для показа изображений поступающих от компьютера. Он относится к устройствам вывода информации компьютера.
Основные характеристики мониторов:
- размер экрана – измеряется в дюймах (1 дюйм=2,54 см) по диагонали. На данный момент наиболее популярными являются ЖК-мониторы с диагональю 19 дюймов;
- формат экрана (соотношение сторон по вертикали и горизонтали), сейчас почти все мониторы продаются в широкоформатном исполнении: формат 16:9 и 16:10;
- тип матрицы – основная часть ЖК-монитора, от которой на 90% зависит его качество. В современных мониторах применяется один из трёх основных типов матриц: TN-film (наиболее простой, самый дешёвый и распространённый), S-IPS (обладают наилучшей цветопередачей, применяется для профессиональной работы с изображениями) и PVA/ MVA (дороже TN-film и дешевле IPS, можно сказать, что эти матрицы являются компромиссом между TN+Film и IPS.);
- разрешение экрана – число точек (пикселей) в ширину и в высоту, из которых состоит изображение. Наиболее распространённые 17 и 19-дюймовые мониторы имеют разрешение 1280х1024 и 1600х1200 точек. Чем выше разрешение, тем, естественно, детальней получается изображение;
- тип разъёма используемый для соединения с компьютером, аналоговый VGA (D-Sub) или цифровые разъемы DVI, HDMI.
| Наименование параметра | Значение |
| Тема статьи: | Основные принципы работы компьютера |
| Рубрика (тематическая категория) | Компьютеры |
Принципы работы и структура компьютера
Передача информации.
Обработка информации;
Хранение информации;
Сбор информации;
Компьютер оказывается незаменимым помощником в реализации всех из указанных компонент информационных процессов.
Сбор информации
В простейшем случае компьютер позволяет автоматизировать процесс сбора информации. К примеру, при наличии компьютера нет крайне важно сти записывать в книгу учета сведения о лицах пришедших на прием к социальному работнику в течение дня. Эти сведения можно сразу вводить в базу данных, реализованную на компьютере, с целью последующей обработки.
В более сложных случаях компьютер позволяет реализовать полностью автоматический (без участия человека) сбор информации. К примеру, компьютер может периодически опрашивать один или несколько источников информации и считывать с них нужные сведения (это бывают, к примеру, несколько датчиков на теле тяжелобольного человека, используемые для измерения температуры, давления и т.п.).
Хранение информации
Память – неотъемлемая компонента любого компьютера. Благодаря ее, компьютер обеспечивает надежное хранение больших объёмов информации. Учитывая зависимость отсвоего назначения информация в памяти компьютера соответствующим образом структурируется и организуется так, чтобы обеспечить простоту пополнения, изменения и поиска нужной информации.
Обработка информации
В термине КОМПЬЮТЕР (вычислитель) отражается лишь одна его возможность – способность производить вычисления. При этом, современные компьютеры с одинаковым успехом могут обрабатывать как числовую, так и, логическую, текстовую, аудио и видеоинформацию.
Компьютер может распознавать и воспроизводить человеческую речь, формировать и воспроизводить статические и динамические изображения, воспроизводить на экране различные видеофрагменты.
Важным видом обработки информации, с которым легко справляется компьютер, является поиск нужных данных в больших объёмах информации.
Передача информации
Специальные устройства позволяют компьютеру подключаться к внешним каналам связи и осуществлять обмен информацией с удаленными абонентами. В качестве таких абонентов могут выступать другие компьютеры, что позволяет интегрировать информационные и вычислительные мощности многих компьютеров, а пользователям – иметь доступ к ресурсам каждого из этих компьютеров. Так возникают компьютерные сети.
В основу работы компьютера положены следующие основные принципы.
Принцип программного управления
Данный принцип предложен в середине XIX века английским математиком Августой Адой Лавлейс.
Суть его состоит в следующем: функционирование компьютера происходит по заранее составленной и помещенной в его память программе.
Программа
представляет собой последовательность команд
, которые может выполнять компьютер.
Размещено на реф.рф
Каждая команда реализует определенную элементарную операцию
по обработке данных. К примеру, это могут операции выборки из памяти или записи в память данных, арифметические операции над данными (сложение, вычитание, умножение, деление), операции сравнения данных и т.п.
Здесь и далее под термином данные будем понимать порции информации , связанной с решаемой на компьютере задачей, которые хранятся в его памяти в закодированном виде (в виде двоичных кодов, ᴛ.ᴇ. последовательностей из нулей и единиц).
Команда также представляет собой двоичный код, определяющий какую операцию и над какими данными крайне важно выполнить. Весь набор команд, которые может выполнять компьютер некоторого типа, принято называть его машинным (внутренним) языком или языком машинных команд.
Компьютеры разных типов имеют разные машинные языки и ʼʼпонимаютʼʼ только свой машинный язык. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, чтобы решить на компьютере любую задачу (вычислительную, обработки текста͵ графики и т.д.), нужно иметь программу на его машинном языке, определяющую, какие операции, над какими данными и в какой последовательности нужного выполнить, чтобы достигнуть требуемого результата.
Принцип произвольного доступа к ячейкам основной памяти
Этот принцип предложен в 1945году выдающимся математиком венгерского происхождения Джоном фон Нейманом и состоит по сути в том, что компьютеру в произвольный момент времени доступна любая ячейка его основной (оперативной) памяти, причем время доступа (время чтения или записи данного) одинаково для всех ячеек.
Основная память компьютера разбита на минимально допустимые ячейки памяти, именуемые байтами. Байты памяти пронумерованы и для доступа к ним используются их порядковые номера – адреса байт. При этом общее число N байт памяти принято называть объёмом основной памяти.
Основная память
0001
0002 байты памяти с их номерами
Замечание. В общем случае ячейка памяти для хранения данного (в зависимости от его типа) может занимать не только один байт, но и несколько последовательных байт. Вместе с тем, у компьютера, помимо основной памяти, имеются еще и другие виды памяти (см. далее).
Принцип хранимой программы
Этот принцип также был предложен Джоном фон Нейманом. Он состоит в том, что программа решения задачи при ее выполнении также хранится в основной памяти наряду с обрабатываемыми данными.
Это означает, к примеру, что команды одной программы бывают результатом выполнения другой программы, ᴛ.ᴇ. очень трудоемкий процесс создания программ на языке машинных команд можно возложить на сам компьютер.
Основные принципы работы компьютера - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Основные принципы работы компьютера" 2017, 2018.
