Технические средства реализации информационных процессов

Разрядность шины адреса постоянно увеличивалась и в  современных персональных компьютерах составляет 64 бита. Таким образом, максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти равно: .

По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией, и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией. Сигналы управления показывают, какую операцию - считывание или запись информации из памяти - нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и так далее.

Внешние устройства к  шинам подключаются посредством  интерфейса. Под интерфейсом понимают совокупность различных характеристик какого-либо периферийного устройства ПК, определяющих организацию обмена информацией между ним и центральным процессором. В случае несовместимости интерфейсов (например, интерфейс системной шины и интерфейс винчестера) используют контроллеры.

Чтобы устройства, входящие в состав компьютера, могли взаимодействовать с центральным процессором, в IBM-совместимых компьютерах предусмотрена система прерываний (Interrupts). Система прерываний позволяет компьютеру приостановить текущее действие и переключиться на другие в ответ на поступивший запрос, например, на нажатие клавиши на клавиатуре. Ведь с одной стороны, желательно, чтобы компьютер был занят возложенной на него работой, а с другой - необходима его мгновенная реакция на любой требующий внимания запрос. Прерывания обеспечивают немедленную реакцию системы.

Персональные компьютеры обычно проектируются на основе принципа открытой архитектуры.

Принцип открытой архитектуры заключается в следующем:

- Регламентируются и  стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация(определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Т.о., компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-изготовителями.

- Компьютер легко расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних расширительных гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самымустанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями.

Для того, чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера, нужно иметь одинаковый интерфейс.

Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связан с шиной определённого типа - адресной, управляющей или шиной данных.

Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через своиконтроллеры (адаптеры) и порты примерно по такой схеме:

Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

Порты устройств представляют собой некие электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора. Портами также называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный, игровой порты.

Последовательный  порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами - побитно.Параллельный порт получает и посылает данные побайтно. К последовательному порту подсоединяют медленно действующие или достаточно удалённые устройства, такие, как мышь и модем. К параллельному порту подсоединяют более "быстрые" устройства (принтер, сканер). Через игровой порт подсоединяется джойстик.

Основные электронные  компоненты, определяющие архитектуру  процессора, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной (материнской). Контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения и подключаются к шине с помощью разъёмов расширения, называемых также слотами расширения (англ. slot - щель, паз).

 

 

2. Частота процессора системной шины и шин периферийных устройств

 

 

Быстродействие различных  компонентов компьютера (процессора, оперативной памяти и контроллеров периферийных устройств) может существенно различаться. Для согласования быстродействия на системной плате устанавливаются специальные микросхемы (чипсеты), включающие в себя контроллер оперативной памяти (так называемый северный мост) и контроллер периферийных устройств (южный мост) .

В качестве системной  магистрали в современных ЭВМ  используются [3]:

- шины расширений - шины  общего назначения, позволяющие подключать большое число самых разнообразных устройств;

- локальные шины, специализирующиеся  на обслуживании устройств определенного типа.

Северный мост обеспечивает обмен информацией между процессором  и оперативной памятью по системной шине. В процессоре используется внутреннее умножение частоты, поэтому частота процессора в несколько раз больше, чем частота системной шины. В современных компьютерах частота процессора может превышать частоту системной шины в 10 раз (например, частота процессора 1 ГГц, частота шины - 100 МГц).

К северному мосту  подключается шина PCI (Peripherial Component Interconnect bus - шина взаимодействия периферийных устройств), которая обеспечивает обмен  информацией с контроллерами  периферийных устройств. По своей сути это тоже интерфейс локальной шины, связывающей процессор с оперативной памятью, в которую врезаны разъемы для подключения внешних устройств. Шина может работать параллельно с шиной процессора, т.е. обмен данными процессор - память и, например, видеоадаптер - память может осуществляться параллельно. Шина PCI является синхронной 32-разрядной или 64-разрядной шиной, работающей на частоте 33 или 66 МГц. Шина PCI при частоте 33 МГц обеспечивает пропускную способность 132 Мбайт/с, при частоте до 66 МГц обеспечивают производительность 264 Мбайт/с для 32-разрядных данных и 528 Мбайт/с для 64-разрядных данных.

По мере увеличения разрешающей  способности монитора и глубины  цвета требования к быстродействию шины, связывающей видеоплату с процессором и оперативной памятью, возрастают. Для подключения видеоплаты используется специальная шина AGP (Accelerated Graphic Port - ускоренный графический порт), соединенная с северным мостом и имеющая частоту, в несколько раз большую, чем шина PCI (скорость передачи данных по шине AGP 256 Мбайт/с). Режимы AGP 2х/4х/8х обеспечивают соответственно в 2, 4 и 8 раз большую скорость передачи. В настоящее время видеоадаптер подключается через шину PSI-express.

Южный мост обеспечивает обмен информацией между северным мостом и портами для подключения периферийного оборудования.

Устройства хранения информации (жесткие диски, CD-ROM, DVD-ROM) подключаются к южному мосту по шине UDMA (Ultra Direct Memory Access - прямое подключение к памяти) или SATA (Serial ATA) - локальный интерфейс передачи данных. Максимальная теоретическая скорость для SATA-I - 150 Мбайт, для SATA-II - 300 Мбайт/с.

IDE (Parallel ATA) - локальный  интерфейс передачи данных. Используется  в основном для обмена ПК  с НЖМД, CD-ROM и DVD-ROM дисководами.  Максимальная теоретическая скорость 133 Мбайт/с.

Мышь и внешний модем  подключаются к южному мосту с  помощью последовательных портов, которые передают электрические импульсы, несущие информацию в машинном коде, последовательно один за другим. Обозначаются последовательные порты как СОМ1 и COM2.

Принтер подключается к  параллельному порту, который обеспечивает более высокую скорость передачи информации, чем последовательные порты, так как передает одновременно 8 электрических импульсов, несущих информацию в машинном коде. Обозначается параллельный порт как LPT.

В настоящее время  через порт USB (Universal Serial Bus - универсальная  последовательная шина) подключаются принтер, сканер, мышь, клавиатура и  т.п. Шина USB обеспечивает высокоскоростное подключение к компьютеру сразу  нескольких периферийных устройств, а также их отключение от компьютера в «горячем режиме», т.е. не выключая компьютер. Максимальная заявленная скорость передачи данных - 800 Мбайт/с. Клавиатура обычно подключается с помощью порта PS/2.

 

 

5. Устройство персонального компьютера

 

 

Рассмотрим устройство персонального компьютера.

Персональным  компьютером (ПК) называют сравнительно недорогой универсальный микрокомпьютер, рассчитанный на одного пользователя.

Современный персональный компьютер состоит из нескольких основных конструктивных компонент: системного блока; монитора; клавиатуры; манипуляторов.

В системном блоке  размещаются: блок питания; накопитель на жёстких магнитных дисках; накопитель на гибких магнитных дисках; системная плата; платы расширения; накопитель CD-ROM; и др. Корпус системного блока может иметь горизонтальную (DeskTop) или вертикальную (Tower - башня) компоновку.

	1 - Системная плата. 2 - Разъём дополнительного 2 процессора. 3 - Центральный процессор с радиатором для отвода тепла. 4 - Разъёмы оперативной памяти. 5 - Накопитель на гибких магнитных дисках. 6 - Накопитель CD-ROM. 7 - Сетевая карта. 8 - Графический акселератор. 9 - Блок питания.          Блок питания содержит вентилятор, создающий циркулирующие потоки воздуха для охлаждения системного блока.

Системная плата

  Системная плата является основной в системном блоке. Она содержит компоненты, определяющие архитектуру компьютера:

- центральный процессор;

- постоянную (ROM) и оперативную  (RAM) память, кэш-память;

- интерфейсные схемы  шин;

- гнёзда расширения;

- обязательные системные  средства ввода-вывода и др.

Системные платы исполняются  на основе наборов микросхем, которые  называются чипсетами (ChipSets). Часто на системных платах устанавливают и контроллеры дисковых накопителей, видеоадаптер, контроллеры портов и др.

В гнёзда расширения системной  платы устанавливаются платы  таких периферийных устройств, как модем, сетевая плата, видеоплата и т.п.

6. Поколения ЭВМ и их основные характеристики

Существует  своеобразная периодизация развития ЭВМ, связанная, в основном, с типом используемой элементной базы, которая определяет в свою очередь быстродействие компьютера, емкость ЗУ. Временные границы поколений сильно размыты: в одно и то же время выпускались и использовались машины различных типов. Для отдельных же машин вопрос об их принадлежности к тому или иному поколению решается достаточно просто.

С переходом  к серийному производству ламповых ЭВМ с хранимой программой начинается период машин первого поколения. В качестве внешних носителей информации при вводе и выводе данных использовались перфоленты и перфокарты. Типичное (среднее) быстродействие машин первого поколения измерялось несколькими тысячами арифметических операций в секунду.

В 1948 г. был  изобретен транзистор и начиная  с середины 1950-х гг. на смену ламповым машинам пришли транзисторныемашины второго поколения, в которых основными элементами были полупроводниковые триоды-транзисторы (габариты транзистора, заменившего электронную лампу, приблизительно в 40 раз меньше). Транзисторные машины обладали значительно более высокой надежностью, чем ламповые ЭВМ (средний срок службы транзисторов на два-три порядка превосходит срок службы электронных ламп), меньшим потреблением энергии, более высоким быстродействием, которое достигалось не только за счет повышения скорости переключения счетных и запоминающих элементов, но и за счет изменений в структуре машин. Наиболее мощные машины второго поколения (МИНСК, МИР, БЭСМ-6) достигали быстродействия до ста тысяч операций в с.

В 1964 г. были изобретены интегральные схемы (ИС-электронная схема, вытравленная на поверхности кремниевого кристалла, содержит несколько сотен транзисторов). В интегральных схемах элементы создаются по специальной технологии в самом веществе материала. Основой для таких схем служат полупроводниковые материалы (чаще всего кремний). Интегральные схемы стали элементной базой для машин третьего поколения. Начало периода машин третьего поколения связано с разработкой серии IBM-360 (США) и ЕС ЭВМ (страны социалистического содружества). Переход на ИС влиял на увеличение надежности работы ЭВМ, уменьшение габаритных размеров, уменьшение потребления энергии. ЭВМ третьего поколения оперируют с произвольной буквенно-цифровой информацией (появилась возможность вводить информацию с клавиатуры, а не с перфолент и перфокарт, как это было раньше). Они построены по принципу независимой параллельной работы различных устройств: процессора, средств внешней памяти, благодаря чему ЭВМ одновременно могла выполнять серию операций: вводить информацию с магнитной ленты, решать задачи, выводить информацию на магнитный дискили печатающее устройство. Начиная с третьего поколения компьютеры работают под управлениемоперационных систем. Ученые постоянно работали над уменьшением размеров аппаратуры, что привело к появлению так называемых мини-и микроЭВМ.

В 1970 г. были разработаны большие интегральные схемы (БИС). На одном кристалле удалось разместить все основные электронные части процессора - появился микропроцессор. Совершенствование технологии производства БИС повлекло за собой быструю смену поколений микропроцессоров, что приводит к стремительному совершенствованию электронной вычислительной техники - появлениючетвертого поколения ЭВМ. Производительность машин 4-го поколения достигает нескольких миллионов операций в секунду. Объем оперативной памяти нескольких мегабайт.