Аппаратные основы функционирования ЭВМ
Несмотря на огромный диапазон размеров и вычислительных мощностей компьютеров, все они, так или иначе, имеют сходную функциональную структуру. В одних случаях эта структура может быть немного упрощена, в других — расширена, но в общем функции вычислительного устройства и необходимые для вычислений функциональные блоки остаются одними и теми же.
Обобщенная структура компьютера – это схема, которая определяет состав и принципы взаимодействия входящих в него блоков.
Рис. Обобщенная структура компьютера.
Для ввода данных в компьютер предназначается устройство ввода, для вывода — устройство вывода, вместе эти устройства обычно составляют единый блок -устройство ввода-вывода данных.
Независимо от того, будут данные в компьютере храниться годы или секунды, компьютер должен иметь место для их хранения. Соответствующее устройство называется памятью.
В компьютере должно быть устройство, которое производит манипуляции над данными, от простейших арифметических операций до сложных статистических, финансовых или научных расчетов. Функционально это устройство состоит из двух блоков: один блок отвечает за производимые вычисления, другой — за правила, по которым данные извлекаются из памяти, над ними производятся операции и результаты этих операций снова возвращаются в память. Устройство, производящее вычисления, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а устройство, формирующее правила, по которым происходит обработка данных — устройством управления (УУ). Вместе эти две функциональные единицы образуют единый блок, который получил название центральный процессор.
|
|
|
Связать между собой процессор, оперативную память, постоянную память (дисковые устройства), устройства ввода-вывода и другие компоненты компьютера напрямую невозможно конструктивно и технологически. Поэтому между всеми этими устройствами располагается системная шина — еще один весьма важный компонент, носителем которого является материнская плата. Системная шина представляет собой множество электрических проводников, конструктивно выполненных в виде тончайших проводящих дорожек, в несколько слоев пронизывающих материнскую плату и соединяющих между собой все электронные компоненты компьютера (рис. 10.2).
Устройства ввода-вывода, обозначенные одним прямоугольником, на самом деле весьма разнообразны. Все эти и многие другие устройства должны быть где-то размещены и закреплены. Физически компьютер являет собой куда более сложную систему, чем его функциональное описание.
В современном компьютере взаимодействие центрального процессора с устройствами ввода-вывода, а также с различными устройствами, присоединенными к общей шине, основано на механизме прерываний.
|
|
|
Механизм прерываний обеспечивает прерывание выполнения текущей программы при поступлении сигнала на соответствующий вход центрального процессора и выполнение процессором операций обслуживания устройства, вызвавшего прерывание.
При поступлении сигнала прерывания центральный процессор совершает следующие действия:
1. Запоминает адрес текущей инструкции выполняемой программы.
2. Получает вектор прерывания (вектор прерывания — запись в специальной таблице прерываний, связывающей номер прерывания и адрес подпрограммы, выполняющей обработку прерывания. Получить вектор прерывания, значит получить доступ к соответствующей записи в этой таблице).
3. Переходит по адресу, хранимому в соответствующей записи вектора прерывания.
4. Выполняет подпрограмму обработки прерывания.
5. После завершения подпрограммы обработки прерывания возвращается к выполнению прерванной программы.
Подпрограмму обработки прерывания называют обработчиком прерывания.
Прерывания обозначаются сокращением IRQ и номером. Прерывания имеют приоритет. Это значит, что прерывание с более высоким приоритетом может прервать работу программы обработки прерывания с более низким приоритетом. Прерывания управляются контроллером прерываний.
|
|
|
Устройства ввода
Компьютерный ввод можно подразделить на два основных типа — ввод данных и ввод команд. Данные:
□ необработанный текст (последовательность символов);
□ числа;
□ изображения;
□ аудиоданные;
□ видеоданные. Команды:
□ инструкции;
□ программы;
□ реакция пользователя.
Ввод информации в современный компьютер осуществляется различными путями и способами.
Клавиатура — это унифицированное устройство ввода со стандартным разъемом и последовательным интерфейсом связи с системной платой.
Последовательный интерфейс – это канал передачи данных между внешним устройством и компьютером, в котором данные передаются последовательно, бит за битом.
Клавиатура подключается к компьютеру через разъем РS/2 или USB.
Клавиатура имеет внутренний микроконтроллер, способный определить факты нажатия и отпускания клавиш, при этом можно нажимать очередную клавишу, даже удерживая несколько ранее нажатых. При нажатии клавиши клавиатура передает идентифицирующий клавишу скан-код. При удержании клавиши в нажатом положении через некоторое время клавиатура начинает автоповтор передачи скан-кода нажатия этой клавиши. Задержка автоповтора и скорость автоповтора для современных клавиатур программируются.
|
|
|
Обмен данными между клавиатурой и процессором происходит через установленную на системной плате микросхему контроллера интерфейса клавиатуры. Каждое событие клавиатуры (нажатие или отпускание клавиши) порождает аппаратное прерывание и побуждает процессор считывать скан-код. Современные клавиатуры поддерживают двусторонний обмен информацией с системной платой: от процессора в клавиатуру передаются команды задания параметров автоповтора, выбора таблицы скан-кодов, управления светодиодными индикаторами и запуска диагностического теста.
Типы клавиатур:
• простая проводная клавиатура без дополнительных клавиш;
• мультимедийная клавиатура имеет дополнительные зоны управления и клавиши для взаимодействия с различными устройствами воспроизведения мультимедийного контента;
• беспроводная клавиатура не подключается к компьютеру проводом, вместо этого взаимодействие с системным блоком происходит по одному из беспроводных
• встроенная клавиатура является непременным атрибутом ноутбуков;
• экранная клавиатура отображается на экране, нажатие клавиш на такой клавиатуре осуществляется указывающим устройством;
По мере развития компьютерной техники и программного обеспечения, особенно с появлением графических оконных оболочек, крайне актуальным стали указывающие устройства, позволяющие задавать определенные точки или объекты на экране, выбирать (путем щелчка), а также захватывать и перемещать экранные объекты (окна). Наиболее распространенным указывающим устройством сегодня является мышь. Типология мышей почти так же обширна, как типология клавиатур. Мыши бывают:
• двухкнопочные и трехкнопочные;
• проводные и беспроводные;
• механические и оптические;
• многофункциональные.
Так же, как и клавиатура, мышь передает информацию процессору через контроллер. Получив информацию о передвижении мыши, контроллер генерирует прерывание IRQ12, и процессор считывает данную информацию из контроллера.
Кроме двух основных устройство ввода в современной компьютерной технике существует большое количество устройств, позволяющих вводить данные разного типа в компьютер.
· Указывающие устройства:
o Электронное перо;
o Трекбол;
o Тачпад;
o Игровые джойстики;
· Устройства ввода графических данных
o Сенсорными экранами мини-устройств
o Сенсорными экранами больших размеров
o Сканеры
o Цифровые фотоаппараты
· Устройства ввода звуковых данных
o Микрофон.
o Линейный вход
o Midi – клавиатура
· Устройства ввода видеоинформации
o Цифровые и аналоговые видеокамеры со специальным видео-выходом
o Телеприемники
o Видеомагнитофоны
o Веб-камеры и камеры сотовых телефонов
· Устройства ввода радиосигнала
· Сканирующие устройства для ввода символьной, числовой и биометрической информации
· Устройства считывания данных от датчиков бытовой, технологической и телеметрической аппаратуры
Устройства вывода
Существует главное устройство вывода данных из компьютера — монитор. Главенство монитора среди устройств вывода данных вполне объяснимо: человек воспринимает и осознает свыше 90 % всей входящей информации именно визуально. Таким образом, то устройство, которое обеспечивает генерацию изображения, всегда будет наиболее важным среди устройств вывода компьютера.
· Мониторы
o мониторы с электронно-лучевой трубкой;
o жидкокристаллические мониторы;
o мониторы с плазменной панелью.
· Принтеры
o матричные принтеры (ныне почти не встречаются);
o струйные принтеры;
o лазерные принтеры.
o плоттеры;
· Устройства вывода звука;
· Другие устройства вывода;
o механизмы управления;
o сигнальные устройства;
Материнская плата
Материнская плата – это многослойная печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера.
Основными компонентами устанавливаемыми на материнской плате являются: центральный процессор, постоянная память (BIOS), контроллеры внешних устройств и чипсет.
Чипсет – это набор микросхем, обеспечивающий подключение центрального процессора к оперативной памяти и контроллерам внешних устройств.
Современный чипсет строится на базе двух СБИС : «северного» и «южного» мостов. Микросхемы чипсета, установленные на материнской плате, предназначаются для работы с определенным типом процессора (или его подтипами). Разъем для процессора (socket) также однозначно соответствует конфигурации корпуса микросхемы процессора и количеству его ножек. Таким образом, понятия «процессор», «материнская плата» и «чипсет» оказываются тесно связанными т.к. невозможно использовать процессор, не предназначенный для установки на данной материнской плате, и, наоборот, невозможно задействовать материнскую плату, не предназначенную для установки на нее определенного типа процессора.
Память компьютера
За функцию хранения данных в компьютере отвечает целый ряд самых разных компонентов, объединенных одним названием — память (запоминающее устройство), крайне различных как по назначению, так и по принципу действия.
Общим для всех компонентов памяти является то, что доступ к хранимым данным осуществляется по адресам, указывающим на ячейки памяти.
Ячейка памяти – это минимально адресуемый элемент памяти компьютера.
В зависимости от принятой системы адресации ячейка памяти может иметь объем от байта до одной из степеней двойки (16, 32, 64 и более) битов.
В современном компьютере можно выделить четыре основных типа памяти:
• внутрипроцессорная память;
• регистровая память;
• кэш первого и второго уровней.
• оперативная память, или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);
• постоянная память, или постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);
• дисковая память, или память на внешних носителях.
Регистровая память
Регистровая память имеет самый маленький объем и является самой быстрой. Если быть точным, регистровая память не просто расположена в микросхеме процессора, она является неотъемлемой частью арифметико-логического и управляющего устройств. Именно в регистры загружается команда для ее декодирования и выполнения, а также данные для выполнения операций над ними. Каждый из регистров процессора представляет собой 32-, 64- или 128-битную последовательность.
Кэш-память
В современных процессорах встроенный кэш первого (L1) и второго (L2) уровней предназначен для временного хранения данных и команд, чтобы при повторном использовании не приходилось через системную шину вновь извлекать данные и команды из основной памяти компьютера.
Кэши первого и второго уровней — гораздо более быстрый вид памяти, чем вся остальная память компьютера, которая находится вне процессорного чипа и к которой необходимо обращаться через системную шину.
Если отключить кэширование, то производительность компьютера может упасть в десятки раз.
Оперативная память
Оперативная память компьютера _ это та область памяти, в которую загружаются программы и данные, откуда процессор берет инструкции для выполнения и данные для обработки. Физически основная память представляет собой платы небольшого размера, вставляющиеся в специальные слоты на материнской плате.
В современных компьютерах применяется два основных типа оперативной памяти: статическая (SRAM) и динамическая DRAM). Отличие между ними состоит в том, что динамическая память имеет малое время хранения информации и требует постоянной циклической перезаписи (обновления) информации в своих ячейках.
В отличие от DRAM, SRAM может хранить память без перезаписи долгое время в сравнении с DRAM. Статическая память не является энергонезависимой.
Динамическая память, в свою очередь, подразделяется на два типа: синхронную и асинхронную.
Асинхронная динамическая память (SDRAM) имеет встроенный генератор импульсов, управляющий всеми сигналами и этапами цикла извлечения и записи данных, в то время как в синхронной динамической памяти все сигналы синхронизируются с импульсами системной шины.
Синхронная динамическая память, имеет несколько разновидностей, которые сменяли друг друга по мере роста быстродействия процессоров:
SDR — одинарная скорость передачи данных;
DDR, DDR2, DDR3 - двойная скорость передачи данных.
Постоянная память.
В широком смысле постоянная память означает память, которая записывается один раз, причем повторная запись в эту память невозможна. Другое, не менее широкое определение этого термина — память, данные в которой не теряются после выключения компьютера. Однако в более узком смысле этот термин применяют в основном для обозначение микросхемы, в которую записана часть программного обеспечения, называемая
BIOS — базовая система ввода-вывода). Микросхемы BIOS можно подразделить на три основных типа:
· память однократной записи (ROM) — микросхема однократно программируется на заводе и больше не подлежит перезаписи;
· память с возможностью перезаписи (PROM) — микросхему можно перепрограммировать при помощи специального программатора;
· память с возможностью перезаписи без извлечения из компьютера (EEPROM) — микросхему можно перепрограммировать при помощи специального программного обеспечения, подавая на нее определенные команды.
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 655; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!