Архитектура персонального компьютера.Цели урока: • освоить основные характеристики устройств компьютера; • иметь представление о функциональном назначении периферийного оборудования.Ход урока Проверка домашнего задания В начале урока собрать выполненное домашнее задание.Теоретическая основа урока Продолжим рассмотрение по прошлой теме. Архитектурой компьютера называют описание основных устройств и принципов работы компьютера, достаточных для понимания пользователя. Персональный компьютер включает в себя следующие основные блоки: • внутреннюю память (оперативную и запоминающую); • процессор; • периферийные устройства.^ Схема «Основные устройства персонального компьютера»Внутренняя память компьютера. Внутренняя память компьютера состоит из двух частей: оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). Они располагаются на материнской плате. Оперативное запоминающее устройство используется для временного хранения данных в процессе непосредственной работы компьютера. Оперативная память обеспечивает режимы записи, считывания и хранения информации, причем в каждый момент времени возможен доступ к любой произвольно выбранной ячейке памяти. Это свойство отражено в англоязычном названии оперативной памяти РАМ (Random Access Memory — память с произвольным доступом). Минимальной единицей является бит памяти, которые сгруппированы в группы по 8 бит, образующие байт памяти. Каждая совокупность имеет собственный адрес, по которой и осуществляется прямое обращение к данным. В оперативной памяти хранятся системные программы, осуществляющие непосредственное управление системными ресурсами компьютера, и прикладные программы, с которыми работает пользователь в данный момент времени. Основной характеристикой оперативной памяти является ее объем, влияющий на скорость работы компьютера. Современные компьютеры имеют от 126 и выше Мбайт памяти. Часть оперативной памяти выделена для хранения данных, соответствующих текущему изображению на экране. ОЗУ является электронным устройством, после вы компьютера все данные стираются. Для постоянного хранения используется постоянное запоминающее устройство, где хранятся данные, не требующие вмешательства пользователя и необходимые для корректной работы компьютера. Информация в ПЗУ «зашивается» в процессе создания компьютера. Она включает в себя программы: запуска и остановки ЭВМ; тестирования устройств, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы его блоков; управления работой процессора, дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью. А также содержит информацию о месторасположении на диске операционной системы. Компьютер может читать или исполнять программы из постоянной памяти, но он не может изменять их и добавлять новые. Постоянная память предназначена только для считывания информации. Это свойство постоянной памяти объясняет часто используемое английское название ROM (Read Only Memory — память только для чтения). Постоянная память, так же как и оперативная, реализуется интегральнымb микросхемами. Отличие заключается в том, что эти микросхемы являются энергонезависимыми. Выключение питания не приводит к потере данных. Существуют две основные разновидности микросхем ROM памяти, однократно программируемые (после записи содержимое памяти не может быть изменено) и многократно программируемые. Стирание содержимого многократно программируемой памяти производится электрическим сигналом или ультрафиолетовым лучом. Для увеличения производительности компьютера, согласования работы устройств с различным быстродействием современный компьютер использует ёще один вид — кэш память. Кэш память является промежуточным запоминающим устройством или буфером. Она используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью, между оперативной памятью и внешним накопителем. Использование кэш памяти сокращает число обращений к жесткому диску для чтения-записи, так как в ней хранятся данные, повторное обращение к которым, со стороны процессора не требует дополнительного чтения или иной обработки информации. Существует два типа кэш памяти внутренняя, размещаемая внутри процессора (размером от 8 до 64 Кбайт) и внешняя, которая устанавливается на системной плате (размером от 256 Кбайт до 1 Мбайт).Процессор. Центральный процессор — техническое устройство, являющееся основным рабочим компонентом компьютера, осуществляющее арифметические и логические операции, заданные программой, управляющее вычислительным процессом и координирующее работу всех устройств компьютера. Микросхема, реализующая функции центрального процессора персонального компьютера, называется микропроцессором. Микропроцессор выполнен в виде сверхбольшой интегральной схемы, представляющий собой кремниевую пластинку на которой размешены электронные компоненты. Чем больше компонентов содержит микропроцессор, тем выше производительность компьютера. Размер минимального элемента микропроцессора составляет несколько микрометров. Микропроцессор штырьками вставляется в специальное гнездо на системной плате. Микропроцессор состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ), устройства управления (УУ) и регистров для временного хранения информации. АЛУ отвечает за обработку данных. В каждый момент времени считывается отдельная команда и в регистрах временного хранения сохраняется адрес, с которого была считана информация и номер действия, которое нужно выполнить над считанными данными. Данные считываются из оперативной памяти, и после выполнения необходимых действий измененное значение возвращается обратно в память. Координацию взаимодействия различных устройств компьютера осуществляет устройство управления. Воздействие осуществляется не напрямую, а через оперативную память. Важнейшими характеристиками процессора являются: • разрядность; • тактовая частота; • адресное пространство. Процессор оперирует машинными словами, размер которых имеет раз личное значение у разных компьютеров. Машинное слово — это число бит, к которым процессор имеет одновременный доступ. Размер машинного слова может быть равен 8, 16, 32, 64 битам. Размер машинного слова и определяет разрядность процессора, равный числу одновременно обрабатываемых битов. Чем больше разрядность процессора, тем больше информации он может обработать в единицу времени, тем выше его эффективность. Быстродействие компьютера определяется тактовой частотой процессора или количеством выполняемых операций в единицу времени. Процессор содержит микросхему, называемую генератором тактовой частоты. Генератор отчитывает необходимое количество тактов для выполнения определенной операции. За период существования персональных компьютеров тактовая частота возросла от 4,77 МГц (i8088) до 333 (Pentium) и более мегагерц. Параметры процессора ограничивают объем оперативной памяти, с которым он может взаимодействовать. Максимальное количество памяти, которое процессор может обслужить, называется адресным пространством процессора. Адресное пространство представляет собой совокупность адресов, используемых в данной вычислительной системе. Значение адреса представлено в процесс определенным количеством бит. Если адрес состоит из п бит, то адресное пространство будет равно 2п. Кроме основного микропроцессора во многих компьютерах имеются специализированные процессоры. Например, математический сопроцессор — микросхема, которая помогает основному процессору в выполнении математических вычислений с десятичной (плавающей) точкой.^ Системная шина. Системная шина, другими словами магистраль, позволяет осуществлять взаимодействие между процессором и остальными компонентами компьютера. По этой шине осуществляется не только передача информации, но и адресация устройств, а также обмен специальными служебными сигналами. Системная шина физически представляет собой набор проводников, объединяющих основные узлы системной платы. От типа системной шины, так же как и от типа процессора, зависит скорость обработки информации персональным компьютером. Основной характеристикой этих линий является частота и разрядность. Число одновременно передаваемых по шине адреса и шине данных раз рядов (битов) определяет разрядность соответствующей шины. От разрядности шины данных зависит максимально возможное общее количество доступной памяти (адресное пространство процессора), а разрядность шины данных влияет на максимальную порцию информации, которую можно получить из памяти за один раз. Для процессора i8088, разрядность адресной шины равнялась 20 и, соответственно, максимальное количество доступной памяти составляло 1 Мбайт. Современные процессоры Pentium могут адресовать до 1 Гбайта памяти. Следует заметить, что в компьютере, как правило, объем оперативной памяти меньше, чем максимально возможный для процессора. Современный компьютер имеет системную шину 32 и 64 бита. Такая разрядность шины данных позволяет значительно повысить скорость обмена информацией, а увеличение разрядности адресной шины обеспечивает возможность обращения к большему объему оперативной памяти. Системная шина включает в себя: шину данных, адресную шину и шину управления. Каждая часть предназначена для передачи определенных сигналов. Общая схема взаимодействия процессора с остальными устройствами выглядит следующим образом. На шину адреса выставляется значение либо адреса оперативной памяти, либо адрес устройства к которому обращается процессор. По шине данных передаются данные, над которыми необходимо осуществить заданное действие, которое распознается по управляющему сигналу, передаваемому по шине управления. Поэтапное взаимодействие процессора с оперативной памятью выглядит следующим образом: 1) процессор устанавливает на шине адреса адрес ячейки памяти, которую хочет прочитать; 2) на шине управления процессор выставляет сигнал готовности и сигнал чтения; 3) заметив сигнал готовности, все устройства проверяют, не стоит ли на шине адреса их адрес; 4) оперативная память, заметив, что выставлен ее адрес, считывает управляющий сигнал (например, в нашем случае — сигнал чтения); 5) память читает адрес; 6) память выставляет на шине данных требуемую информацию; 7) память выставляет на шине управления сигнал готовности; 8) процессор читает данные с шины данных. На системной шине каждое периферийное устройство имеет собственную линию, на которую при необходимости выдается сигнал прерывания и процессор может прервать выполнение какого-либо действия и начать обрабатывать этот сигнал. Однако системная шина как основная информационная магистраль не может обеспечить достаточную производительность для внешних устройств. Для решения этой проблемы в компьютере стали использовать локальные шины, которые связывают микропроцессор с периферийными устройствами.Контроллеры Между системной шиной и периферийными устройствами находятся специальные платы — контроллеры, которые вставляются в разъемы (слоты) на материнской плате, а к их портам подключаются дополнительные устройства (дисководы, манипуляторы типа «мышь», принтеры и т.д.). Именно контроллер декодирует сигнал, поступающий от процессора, и за тем посылает обработанный сигнал для выполнения его устройством, т. е. полученный двоичный сигнал преобразуется в вид понятный пользователю.Порты Портами называют контакты (разъемы), находящиеся на контроллерах, и выведенные на тыльную сторону системного блока. Порты используются для подключения устройств ввода и вывода к системному блоку. Исключение составляют дисководы гибких, жестких и лазерных дисков, которые устанавливаются внутри системного блока. Различают параллельные и последовательные порты. Параллельные порты используются для подсоединения внешних устройств, которым не обходимо передавать на близкое расстояние большой объем информации, такие как принтер, сканер. Число параллельных портов у компьютера не превышает трех, и они имеют соответственно имена LPT1, LPT2, LPT3. Параллельный порт осуществляет передачу 8 бит данных по 8 параллельным проводам одновременно. Последовательные порты используются для подключению к системному блоку манипуляторов, модемов и многих других устройств. Передача данных осуществляется последовательно один бит за другим. Такой вид передачи используется для пересылки информации на большие расстояния, по этому последовательные порты часто называют коммуникационными. Количество коммуникационных портов не превышает четырех, и им присвоены имена от СОМ1 до СОМ4.^ Устройства ввода Одним из основных периферийных устройств являются устройства ввода, которые подключаются к свободному порту, либо в свободный слот платы расширения. Различают два основных типа устройств: с клавиатурным вводом и прямым вводом. В первом случае осуществляется ввод с клавиатуры, в другом случае данные считываются непосредственно компьютерными устройствами, например, манипуляторы, сенсорные устройства, сканеры, устройства распознавания речи; Устройства ввода управляются с помощью специальных программ, называемых драйверами. С клавиатуры осуществляется ручной ввод различных символов и служебных команд. Современная клавиатура (расширенная) имеет более 101 клавиши, которые по расположению делятся на четыре поля. В верхней части клавиатуры расположёны функциональные клавиши, которые подписаны буквой F и имеют номера от 1 до 12. Для разных программ эти клавиши выполняют различные функции, но некоторые из них стали традиционно одинаковыми, например, клавиша всегда вызывает справку или помощь, В этом же ряду слева находится клавиша предназначенная для отказа от выполненной команды. Основное поле клавиатуры имеет клавиши с цифрами, буквами и специальными символами. Переключение регистра (верхний/нижний) производятся при удержании клавиши или включения клавиши . Клавиша выполняет команду табулирования, т. е. переводит указатель ввода символов в следующее поле. Клавиша удаляет символ, стоящий слева от указателя. Клавиша завершает ввод команд и данных. Наконец, в основном поле присутствует клавиша пробела (самая длинная клавиша в нижнем ряду) и клавиши и , выполняющие вспомогательные функции. В правой части расположена дополнительная клавиатура, которая включается клавишей . С этой клавиатуры очень удобно вводить цифры и символы арифметических действия. Между правой и левой частями клавиатуры расположены клавиши перемещения курсора, обозначен стрелками. В этом же поле находится клавиша , нажатие которой приводит к удалению символа, расположенного справа от указателя. Манипуляторы осуществляют непосредственный ввод информации, указывал курсором на экране монитора команду или место ввода данных. Манипуляторы, как правило, подключаются к коммуникационному порту (СОМ 1-С0М4).Джойстик представляет собой ручку управления и наиболее часто используется в управлении перемещающимися объектами. Джойстик, подключенный к обычному компьютеру, управляет перемещениями курсора по экрану. Мышь — один из распространенных типов манипулятора. В верхней части корпуса мыши установлены кнопки для выполнения действий, в нижней части находится шарик для ее перемещения по коврику. Движение мыши отражается на экране монитора перемещением курсора. Качество мыши определяется ее разрешающей способностью, которая измеряется числом точек на дюйм — dрi (dot per inch). Эта характеристика определяет, насколько точно курсор будет передвигаться по экрану. Для мышей среднего класса разрешение составляет 400—800 dрi. Различные манипуляторы типа «мышь» могут отличаться:по способу считывания информации (механические, оптико-механические и оптические); по количеству кнопок (2 и 3-кнопочные мыши);по способу соединения (проводные или беспроводные мыши).Трекбол (шаровой манипулятор) — это шар, расположенный в отдельном корпусе или встроенный в клавиатуру. Часто в качестве корпуса используют манипулятор мышь, когда последовательно используются возможности «мыши» и трек Перемещение курсора по экрану обеспечивается вращением шара, не требует коврика и места для перемещения манипулятора по столу.^ Сенсорные устройства ввода, представляют собой чувствительные поверхности, покрытые специальным слоем и связанные с датчиками. Прикосновение к поверхности датчика приводит в движение курсор, перемещение которым осуществляется за счет движения пальца по поверхности. Несмотря на компактные размеры коврика, величиной со спичечный коробок, осуществляется управлением курсором, и разрешающая способность достигает до 1000 точек на дюйм.^ Световое перо — простое устройство, имеющее светочувствительный элемент на своем кончике пера и передающее информацию о направлении луча непосредственно компьютеру. Соприкосновение пера с экраном замыкает фотоэлектрическую цепь и определяет место ввода или коррекции данных. Световое перо используется в различных системах обработки и анализа медицинских изображений, выбора операций в меню и для рисования схем.^ Графический планшет (дигитайзер) используется для ввода в компьютер высокоточных рисунков. Нажатие на поверхность специальным пером активизирует миниатюрные переключатели, замыкание которых является сигналом для воспроизведения на экране монитора контура изображения. Программа, обрабатывающая вводимое изображения оцифровывает их и позволяет записывать в память компьютера для их последующего воспроизведения.Сканер — устройство для распознавания изображений, хранящихся на бумажных носителях для создания их электронных копий и последующего хранения в памяти компьютера. Различают сканеры:по глубине распознавания цвета (черно-белые, с градацией серого, цветные);по оптическому разрешению (измеряется в точках на дюйм (dрi) и определяет количество точек, которые, сканер различает на каждом дюйме);по используемому программному обеспечению для сканирования и предварительной обработки изображений;по конструкции (ручные, страничные и планшетные).^ Устройства распознавания речи. С помощью обычного микрофона речь человека вводится в компьютер и преобразуется в цифровой код. Большинство систем распознавания речи могут быть настроены на особенности человеческого голоса. Это реализуется путем сравнения сказанного слова с образцами, предварительно записанными в памяти компьютера. Некоторые системы могут определять одинаковые слова, сказанные разными людьми. Однако список этих слов ограничен. Лучшие системы распознают 30 тысяч слов с адаптацией к индивидуальным типам голосов. (Об устройствах вывода необходимо предложить подготовить учащимся доклады, либо одному о каждом устройстве, либо нескольким конкретно о каждом устройстве на 3—5 минут.)^ Подводя итог:описание архитектуры компьютера предполагает рассмотрение функционального назначения устройств без какой-либо технической -конкретизации;выполнение заданных функций каждым устройством компьютера позволяет функционировать системе в целом;управление компьютером осуществляется благодаря процессору, который обрабатывает команды заданной программы;для долговременного хранения информации используются устройства внешней памяти;для ускорения работы компьютера используется внутренняя память, созданная для быстрого доступа.