Состав и структура персонального компьютера (ПК)

Средства решения задач, используемые в информационных технологиях.

Лекция № 3. Аппаратное обеспечение информационных технологий.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Дайте такую трактовку понятию «информационная технология», которая в большей степени отвечает исходному значению слова «технология».

2. Дайте трактовку понятию «информационная технология в лингвистике».

3. Приведите примеры информационных систем.

4. Приведите классификацию информационных технологий по типу (виду) обрабатываемой информации.

5. Назовите и охарактеризуйте основные составляющие автоматизированной обучающей системы.

6. Что является основой лингвистической информационной базы компьютерной системы работающей с естественным языком?

К используемым в информационных технологиях средствам решения задач относятся:

1) аппаратное обеспечение информационных технологий (hardware);

2) программное обеспечение информационных технологий (software).

К средствам аппаратного обеспечения информационных технологий относятся компьютер и периферийные устройства, т.е. различные устройства хранения, ввода и вывода данных.

К средствам программного обеспечения информационных технологий относятся компьютерные программы, языки, процедуры и правила их разработки, т.е. программное обеспечение персонального компьютера (ПО ПК), а также документация, необходимая для использования программных продуктов.

ПО (Software) ПК содержит следующие компоненты:

q системное,

q инструментальное и

q прикладное.

Системное ПО предназначено для обеспечения работы и выполнения программ компьютера, распределения его ресурсов между задачами, предоставления пользователю определенных услуг.

Системное ПО включает в себя:

q операционные системы,

q системные и сервисные программы.

Инструментальное ПО представляет собой совокупность систем программирования, интерпретаторов, компиляторов, отладчиков и других программ, обеспечивающих разработку программного обеспечения.

Прикладное программное обеспечение (ППО) составляют пакеты прикладных программ (ППП), предназначенные для решения определенного круга задач из различных предметных областей, а также разработанное многочисленными пользователями ПО.

ППО подразделяется на:

q ППП общего назначения,

q проблемно-ориентированные ППП,

q интегрированные ППП,

q ПО пользователей.

В конце прошлого столетия сформировалось три направления в развитии вычислительной техники: создание больших высокопроизводительных ЭВМ, способных выполнять миллиарды операций в секунду; создание персональных ЭВМ, доступных широкому кругу пользователей; создание встроенных микроЭВМ.

Историю ПК принято отсчитывать с 1975 г., когда американская фирма MITS выпустила первую вычислительную машину данного класса “Altair-8800”.

Свою первую экспериментальную модель фирма Apple создала в 1976 г. В настоящее время эта компания контролирует около 20% рынка США.

Корпорация IBM, крупнейший в мире изготовитель оборудования для обработки информации, первый персональный компьютер выпустила в 1981 году. В странах СНГ наибольшее распространение получили IBM совместимые ПК, имеющие одну и туже архитектуру.

Современный ПК выполняет функции мощного вычислительного устройства, интеллектуальной пишущей машинки, захватывающей игрушки, узла связи, аудио- и видеоцентра.

Персональным компьютером называют электронную вычислительную машину (ЭВМ), рассчитанную на одного пользователя и управляемую одним человеком.

В минимальной конфигурации ПК состоит из следующих основных компонент: системного блока, клавиатуры и дисплея. Системный блок содержит следующие устройства:

1) микропроцессор, осуществляющий вычисления в соответствии с заданной ему программой и выполняющий общее управление ПК;

2) основную память, в которой хранятся программы, выполняемые микропроцессором, и данные, непосредственно участвующие в операциях;

3) адаптеры и контроллеры периферийных устройств, выполняющие функции управления, а также передачей и приемом необходимой информации;

4) коммуникационные порты, обеспечивающие связь ПК с различными конструктивно отдаленными от системного блока периферийными устройствами;

5) накопители на магнитных и оптических дисках;

6) блок питания.

Передача информации между устройствами ПК, находящимися в системном блоке, осуществляется по системной шине.

На переднюю панель системного блока обычно вынесены:

· лицевые панели накопителей;

· сетевой выключатель и световой индикатор подачи электропитания;

· световой индикатор активности накопителя на жестких магнитных дисках.

На задней панели системного блока размещены разъёмы коммуникационных портов, сетевой и для подключения кабеля от дисплея.

Общее представление о входящих в состав ПК устройств и функциональных взаимосвязях между ними дает рис. 3.

Рис. 3. Общая структура компьютера

Главная черта архитектуры ПК состоит в наличии системной шины (шины ввода-вывода), с помощью которой обменивается информацией микропроцессор с периферийными устройствами. Такая конструкция обеспечивает простоту и дешевизну ПК, упрощает алгоритмы взаимодействия входящих устройств, кроме того, ее легко дополнять новыми устройствами. Это свойство называется открытостью архитектуры.

Существует два типа коммуникационных портов – последовательный, обеспечивающий побитовый обмен информацией с медленнодействующими или удаленными периферийными устройствами и параллельный – служащий для обмена информацией байтами.

Адаптеры (контроллеры) периферийных устройств (ПУ) выполняют две основные функции: осуществляют непосредственное управление ПУ по запросам микропроцессора и обеспечивают согласование интерфейса ПУ с системной шиной. Развитые адаптеры включают в свой состав специализированные микропроцессоры и память, например, видеоадаптер монитора.

Порт ввода-вывода обеспечивает непосредственное подключение адаптера к системной шине. Каждый порт имеет свой адрес, по которому идет обращение к ПУ. Упрощенно его можно считать регистром, в который записывается информация для передачи в ПУ или с которого считывается полученная из ПУ информация.

Микропроцессор - это главная микросхема компьютера, его "мозг". Скорость его работы определяет быстродействие компьютера. Микропроцессор имеет специальные ячейки, которые называются регистрами. Именно в регистрах помещаются команды, которые выполняются микропроцессором, а также данные, которыми оперируют команды. Его работа состоит в выборе из памяти в определенной последовательности команд и данных и их выполнении. На этом и базируется выполнение программ.

Основными параметрами микропроцессоров являются: тактовая частота, разрядность, размер кэш памяти.

Тактовая частота определяет количество элементарных операций (тактов), выполняемые микропроцессором за единицу времени. Тактовая частота микропроцессоров измеряется в Гц (1 Гц соответствует выполнению одной операции за одну секунду, 1 МГц=10⁶ Гц). Чем больше тактовая частота, тем больше команд может выполнить микропроцессор, и тем больше его производительность. Первые микропроцессоры, которые использовались в ПК работали на частоте 4,77 МГц, рабочие частоты современных устройств достигают отметки в 2 ГГц (1 ГГц = 10³ МГц).

Разрядность микропроцессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один такт. Она определяется разрядностью системной шины, то есть количеством проводников в шине, по которой передаются команды. Современные микропроцессоры семейства Intel являются 32-разрядными.

Кэш-память. Обмен данными внутри микропроцессора происходит намного быстрее, чем обмен данными между микропроцессором и оперативной памятью. Поэтому, для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри микропроцессора создают так называемую сверхоперативную или кэш-память. Когда микропроцессору нужны данные, он сначала обращается к кэш-памяти, и только тогда, когда там отсутствуют нужные данные, происходит обращение к оперативной памяти. Чем больше размер кэш-памяти, тем большая вероятность, что необходимые данные находятся там. Поэтому высокопроизводительные микропроцессоры имеют повышенные объемы кэш-памяти.

В процессе работы микропроцессор обрабатывает данные, находящиеся в его регистрах, оперативной памяти и портах ввода-вывода. Часть данных интерпретируется как собственно данные, часть данных – как адресные данные, а часть – как команды. Совокупность разнообразных команд, которые может выполнить микропроцессор над данными, образует его систему команд. Чем больше набор команд микропроцессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее запись команд в байтах и тем дольше средняя продолжительность выполнения команд.

В компьютерах IBM PC используют микропроцессоры, разработанные фирмой Intel, или совместимые с ними других фирм, относящиеся к семейству x86. Родоначальником этого семейства был 16-разрядный микропроцессор Intel 8086. В дальнейшем выпускались микропроцессоры Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486 с модификациями, разные модели Intel Pentium, Pentium MMX, Pentium Pro, Pentium II, Celeron, Pentium III, Pentium IV. Среди других фирм-производителей микропроцессоров следует отметить AMD с моделями AMD-K6, Athlon, Duron и Cyrix.

Основная память – это запоминающее устройство, напрямую связанное с микропроцессором и предназначенное для временного (оперативная память) и продолжительного (постоянная память) хранения программ, входных и результирующих данных, а также промежуточных результатов. Информация в оперативной памяти сохраняется временно лишь при включенном питании, но оперативная память имеет большее быстродействие. В постоянной памяти данные могут сохраняться даже при отключенном компьютере, но скорость обмена данными между постоянной памятью и центральным процессором, в подавляющем большинстве случаев, значительно меньше.

В ПК используется байтовая организация памяти, и минимально адресуемой единицей является байт. При обмене информацией с памятью процессор обращается к ячейкам по их номерам (адресам). Способы задания требуемых адресов в командах ПК называется методами адресации. От видов и разнообразия методов адресации существенно зависит эффективность работы программы с данными. В современных ПК на базе процессоров Intel Pentuim используется 32-разрядная адресация. Это означает, что всего независимых адресов есть 2³², то есть возможное адресное пространство составляет 4,3 Гбайт. Однако это еще не означает, что именно столько оперативной памяти может быть в системе. Предельный размер объема памяти определяется чипсетом материнской платы и обычно составляет несколько сотен мегабайт.

Оперативная память в компьютере размещена на стандартных панельках, которые называются модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате.

Основные характеристики оперативной памяти: объем памяти и время доступа.

Объем памяти – это общее количество ячеек памяти на всех кристаллах оперативной памяти. Ячейки в кристаллах памяти объединены в блоки по 8 ячеек, и в каждый такой блок можно записать байт информации. От объема памяти во многом зависит скорость работы компьютера: чем больше объем памяти, тем быстрее работает компьютер.

Время доступа показывает, сколько времени необходимо для обращения к ячейкам памяти, чем меньше, тем лучше. Измеряется в наносекундах (7 – 70 нс).

Постоянная память ROM (Read Only Memory)

В момент включения компьютера в его оперативной памяти отсутствуют любые данные, поскольку оперативная память не может сохранять данные при отключенном компьютере. Но процессору необходимы команды, в том числе и сразу после включения. Поэтому процессор обращается по специальному стартовому адресу, который ему всегда известен, за своей первой командой. Этот адрес указывает на память, которую принято называть постоянной памятью ROM или постоянным запоминающим устройством (ПЗУ). Микросхема ПЗУ способна продолжительное время сохранять информацию, даже при отключенном компьютере. Говорят, что программы, которые находятся в ПЗУ, "зашиты" в ней - они записываются туда на этапе изготовления микросхемы. Комплект программ, находящийся в ПЗУ образовывает базовую систему ввода/вывода BIOS (Basic Input Output System).

Основное назначение этих программ состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жесткими и гибкими дисками.

Энергонезависимая память CMOS

Работа таких стандартных устройств, как клавиатура, может обслуживаться программами BIOS, но такими средствами невозможно обеспечить роботу со всеми возможными устройствами (в связи с их огромным разнообразием и наличием большого количества разных параметров). Но для своей работы программы BIOS требуют всю информацию о текущей конфигурации системы. По очевидной причине эту информацию нельзя сохранять ни в оперативной памяти, ни в постоянной. Специально для этих целей на материнской плате есть микросхема энергонезависимой памяти, которая называется CMOS. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не исчезает при отключении компьютера, а от постоянной памяти она отличается тем, что данные можно заносить туда и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы.

Микросхема памяти CMOS постоянно питается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. В этой памяти сохраняются данные про гибкие и жесткие диски, процессоры и т.д. Тот факт, что компьютер четко отслеживает дату и время, также связан с тем, что эта информация постоянно хранится (и обновляется) в памяти CMOS. Таким образом, программы BIOS считывают данные о составе компьютерной системы из микросхемы CMOS, после чего они могут осуществлять обращение к жесткому диску и другим устройствам.