Билет 11 Основные компоненты компьютера, их функциональное назначение и принципы работы. Программный принцип работы компьютера

План ответа

1. Основные компоненты компьютера.

2. Процессор.

3. Память.

4. Внешние устройства.

5. Взаимосвязь основных устройств.

6. Программный принцип работы компьютера.

■■ Основные компоненты компьютера

Несмотря на огромное разнообразие вычислительной техники и ее стремительное совершенствование, фундаментальные принци­пы устройства машин во многом остаются неизменными. В основу построения большинства компьютеров положены принципы, сфор­мулированные Джоном фон Нейманом — это:

• принцип программного управления;

• принцип однородности памяти;

• принцип адресности.

Компьютеры, построенные на этих принципах, имеют класси­ческую архитектуру. Архитектура компьютера определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов (компонентов) компьютера. К основным компо­нентам относятся:

• центральный процессор;

• основная память;

• внешняя память;

• периферийные устройства;

• устройства приема/передачи.

Процессор

Процессор является главным устройством компьютера, в кото­ром происходит обработка всех видов информации. Кроме этого процессор обеспечивает согласованное взаимодействие всех узлов, входящих в состав компьютера. Наиболее важными, частями про­цессора являются арифметико-логическое устройство и устройство управления.

Каждый процессор способен выполнять вполне определенный набор универсальных инструкций, называемых чаще всего машинными командами. Работа ЭВМ состоит в выполнении последовательности таких команд, подготовленных в виде программы. Процессор способен организовать считывание очередной команды, ее.анализ и выполнение, а также при необходимости принять данные и отправить результаты их обработки на требуемое устройство. Выбрать, какую инструкцию программы исполнять следующей, также должен сам процессор, причем результат этого выбора часто может зависеть от обрабатываемой в данный момент информации.

Внутри процессора имеются специальные ячейки (регистры) для оперативного хранения обрабатываемых данных и некоторой служебной информации. Однако в нем не предусмотрено место для хранения программы. Для этой важной цели в компьютере служит другое устройство память.

Память

Память в целом предназначена для хранения как данных, так и программ их обработки: согласно фундаментальному принципу фон Неймана, для обоих типов информации используется единое устройство.

Начиная с самых первых ЭВМ, память сразу стали делить на внутреннюю и внешнюю. Исторически это было связано с размещением устройств памяти внутри или вне процессорного шкафа. Однако с уменьшением размеров машин внутрь основного процессорного корпуса удавалось поместить все большее количество устройств, и первоначальный непосредственный смысл данного деления постепенно утратился. Тем не менее, терминология сохранилась.

Под внутренней памятью современного компьютера понимают быстродействующую электронную память, расположенную на его системной плате. Сейчас такая память изготавливается на базе самых современных полупроводниковых технологий. Наиболее суще­ственная часть внутренней памяти называется ОЗУ — оперативное запоминающее устройство. Главное назначение ОЗУ — хранение данных и программ для решаемых в текущий момент задач. При выключении компьютера содержимое оперативной памяти стира­ется. Оперативная память обычно характеризуется сравнительно небольшим объемом (до 512 Мб) и очень высокой скоростью обра­щения к информации. Отсюда и ее название («оперативно» — значит быстро).

В состав внутренней памяти современного компьютера помимо ОЗУ также входят и некоторые другие разновидности памяти. Среди них — постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Эта память используется компьютером только для чтения и служит для хранения программ и данных начальной загрузки компьютера и тестирования его узлов. Информация в ПЗУ не зависит от состояния компьютера.

Для долговременного хранения информации используется внешняя память. В качестве устройств внешней памяти обычно выступают накопители на гибких магнитных дисках (НГМД), накопители на жестких магнитных дисках (винчестерах) и оптические накопители (CD-ROM и DVD-ROM). В конструкции устройств внешней памяти имеются механически движущиеся части, поэтому скорость их работы существенно ниже, чем у полностью электронной внутренней памяти. Тем не менее, внешняя память позволяет сохранить огромные объемы информации с целью последующего использования.

Внешние устройства

В составе любого компьютера необходимы специальные устройства ввода и вывода информации (так называемые внешние или периферийные устройства).

К устройствам ввода информации можно отнести:

• клавиатуру (служит для ввода числовой и текстовой информации);

• манипулятор-мышь (для ввода графической информации или работы с графическим интерфейсом программ);

• сканер (используется для ввода в компьютер фотографий или рисунков, позволяет не просто преобразовать картинку с листа бумаги в графический компьютерный файл, но и с помощью специ­ального программного обеспечения распознать в прочитанном изображении текст и сохранить его в виде, пригодном для редактирования в обычном текстовом редакторе);

• цифровую камеру (формирует изображение сразу в компьютерном формате);

• микрофон (служит для ввода звуковой информации).

К наиболее универсальным устройствам вывода можно отнести монитор, на экране которого высвечивается числовая, текстовая, графическая и видеоинформация.

Для сохранения информации на бумаге служит принтер, а для вывода на бумагу сложных чертежей, рисунков и схем большого формата — плоттер (графопостроитель).

Вывод звуковой информации осуществляется с помощью акус­тических колонок или наушников.

Каждое внешнее устройство подключается к ПК через специальную электронную схему, которая называется контроллером (или адаптером) и служит для преобразования информации, поступающей от процессора в управляющие сигналы, «понятные» соответствующим внешним устройствам. \

Процесс общения процессора с внешним миром через устройства ввода-вывода по сравнению с информационными процессами внутри него протекает в сотни и тысячи раз медленнее. Это связано с тем, что устройства ввода и вывода информации часто имеют ме­ханический принцип действия (принтеры, клавиатура, мышь) и работают медленно. Чтобы освободить процессор от простоя при ожи-;злни окончания работы таких устройств, в компьютер вставляют специализированные микропроцессоры-контроллеры. Получив от центрального процессора компьютера команду на вывод информации контроллер самостоятельно управляет работой внешнего устройства. Окончив вывод информации, контроллер сообщает процессору о завершении выполнения команды и готовности к получению следующей.

Число таких контроллеров соответствует числу подключенных к процессору устройств ввода и вывода. Так, для управления работой клавиатуры и мыши используется свой отдельный контроллер. Таким образом, использование специальных контроллеров для уп­равления устройствами ввода-вывода, усложняя устройство компью­тера, одновременно разгружает его центральный процессор от непроизводительных трат времени и повышает общую производительность компьютера.

Взаимосвязь основных устройств

Все контроллеры устройств взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных (системную шину). Системная шина является основной интерфейсной системой компьютера, реализующей сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина обеспечивает передачу информации в трех направлениях:

• между процессором и основной памятью;

• между процессором и внешними устройствами;

• между основной памятью и внешними устройствами.

Центральные устройства (процессор и основная память) под­соединены к шине непосредственно, а периферийные — через устройства сопряжения (контроллеры или адаптеры). Таким образом, персональный компьютер состоит из отдельных модулей, объединяемых системной магистралью. При этом можно заменять отдельные модули на более современные, а также добавлять но­вые модули. Такой принцип построения компьютера называется принципом открытой архитектуры (магистралъно-модульным).

Программный принцип работы компьютера

Любая программа состоит из набора команд, которые выполня­ются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти, т. е. компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда, поэтому над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.