Duolingo программа изучения английского. Дуолинго для изучения английского языка онлайн. Плюсы и минусы приложения

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ И РАБОТЫ КОМПЬЮТЕРОВ

Что такое компьютер

Компьютер представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами.

Существует два основных класса компьютеров:

цифровые компьютеры, обрабатывающие данные в виде числовых двоичных кодов;

аналоговые компьютеры, обрабатывающие непрерывно меняющиеся физические величины (электрическое напряжение, время и т. д.), которые являются аналогами вычисляемых величин.

В настоящее время подавляющее большинство компьютеров является цифровыми.

Принцип действия компьютеров состоит в выполнении программ (Software) – заранее заданных, четко определенных последовательностей арифметических, логических и других операций.

Любая компьютерная программа представляет собой последо­вательность отдельных команд.

Команда – это описание операции, которую должен выполнить компьютер. Как правило, у команды есть свой код (условное обозначение), исходные данные (операнды) и результат.

Результат команды вырабатывается по точно определенным для данной команды правилам, заложенным в конструкцию компьютера.

Совокупность команд, выполняемых данным компьютером, называется системой команд этого компьютера.

Компьютеры работают с очень высокой скоростью, которая составляет миллионы – сотни миллионов операций в секунду.

В любом компьютере можно выделить следующие главные устройства :

память (запоминающее устройство – ЗУ), состоящую из перенумерованных ячеек;

процессор, включающий устройство управления (УУ)и арифметико-логическое устройство (АЛУ);

устройство ввода ;

устройство вывода .

Эти устройства соединены каналами связи ,по которым передается информация. Основные устройства компьютера и связи между ними представлены на схеме (рис. 1). Тонкими стрелками показаны пути и направления движения информации, а толстыми стрелками – пути и направления передачи управляющих сигналов.

Функции памяти:

– прием информации из других устройств;

– запоминание информации;

– выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Рис. 1. Общая схема компьютера

Функции процессора:

– обработка данных по заданной программе путем выполнения ариф­метических и логических операций;

– программное управление работой устройств компьютера.

Та часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, – устройством управления (УУ).

Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.

В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами . Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Над содержимым некоторых регистров электронные схемы могут выполнять манипуляции, например «вырезать» отдельные части команды для последующего их использования или выполнять определенные арифметические операции над числами. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером , которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд). Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определенным образом общей системой управления.

Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые регистры имеют свои названия, например:

– сумматор – регистр АЛУ, выполняющий суммирование двоичных чисел;

– счетчик команд – регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;

– регистр команд – регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции , остальные – для хранения кодов адресов операндов .

Принципы работы компьютера

В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом .

1. Принцип программного управления . Программа состоит из набора команд, выполняющихся процессором автоматически в определенной последовательности.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд .Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного перехода ,которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следу­ющую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп».

Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека .

2.Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти, поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке ,что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм).

Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции – перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на перечисленных принципах, относятся к типу фон-неймановских .Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, т. е. они могут работать без счетчика команд, указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам необязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не фон-неймановскими .

Команда и ее исполнение

Команда – это описание элементарной операции, которую должен выполнить компьютер.

В общем случае команда содержит следующую информацию:

– код выполняемой операции;

– указания по определению операндов (или их адресов);

– указания по размещению получаемого результата .

В зависимости от количества операндов команды бывают:

– одноадресные;

– двухадресные;

– трехадресные;

– переменно-адресные.

Команды хранятся в ячейках памяти в двоичном коде.

В современных компьютерах длина команд переменная (обычно от двух до четырех байт), а способы указания адресов переменных весьма разнообразны .

В адресной части команды может быть указан:

– сам операнд (число или символ);

– адрес операнда (номер байта, с которого начинается операнд);

– адрес адреса операнда (номер байта, начиная с которого расположен адрес операнда) и т. д.

Рассмотрим несколько возможных вариантов команды сложения (англ. add – сложение), при этом вместо цифровых кодов и адресов будем пользоваться условными обозначениями.

1. Одноадресная команда add x (содержимое ячейки х сложить с содержимым сумматора, а результат оставить в сумматоре):

2. Двухадресная команда add х, у (содержимое ячеек х и у сложить, а результат поместить в ячейку у ):

3. Трехадресная команда add x, у, z (содержимое ячейки х сложить с содержимым ячейки y , сумму поместить в ячейку z ).

В основу построения и работы практически всех компьютеров заложены общие фундаментальные принципы, сформулированные выдающимся американским математиком Джоном фон Нейманом. Формальная логическая организация компьютера была впервые представлена им в "Предварительном докладе о машине EDVAC" в 1945 г. Вот основные из принципов общего устройства компьютера:

1. Компьютер должен состоять из следующих основных устройств:

Арифметико-логического устройства (АЛУ), выполняющего арифметические и логические операции над данными;

Центрального устройства управления (ЦУУ), которое организует процесс автоматического выполнения программ;

Оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) для хранения программ и данных;

Внешнего запоминающего устройства (ВЗУ);

Внешних устройств ввода–вывода информации (УВВ).

2. Компьютер должен быть не механическим, а электронным.

3. Компьютер должен оперировать с двоичными числами при параллельной организации вычислений.

4. Алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов , которые определяют смысл операции. Эти управляющие слова названы командами. Совокупность команд, представляющая алгоритм решения задачи, называется программой .

5. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Команды от данных отличаются месторасположением в памяти, но не способом кодирования.

Такая организация получила название классической архитектуры фон Неймана и приведена на рис. 10.

Кратко рассмотрим некоторые важные принципы работы компьютера.

В отношении ОЗУ заложен принцип произвольного или прямого доступа . Это значит, что ОЗУ состоит из множества пронумерованных ячеек, в которых может храниться закодированная в двоичном коде любая информация (цифровые данные, текст, графические изображения и т.д.). Любому устройству компьютера в любой произвольный момент времени доступна любая ячейка по ее адресу (номеру) для записи или чтения. Время доступа для всех ячеек одинаково, независимо от того, обращаемся ли мы к первой от начала или последней ячейке памяти. Оперативная память энергозависима. При отключении питания информация в ней не сохраняется.

Поскольку каждая команда в компьютере представляется в двоичном коде, программа при выполнении может храниться в его памяти как любая другая информация. В этом состоит принцип хранения программы компьютера в самом компьютере (аналогично мозгу человека).

Принцип программного управления компьютером реализуется следующим образом. При запуске программы на исполнение операционная система загружает ее в оперативную память и передает в программный счетчик устройства управления адрес первой машинной команды программы. Эта команда может быть любой (выполнение арифметической или логической операции, чтение из памяти данных, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство и т.д.). По заданному адресу устройство управления считывает команду в регистр команд (там она хранится во время выполнения) и организует ее выполнение. Код команды расшифровывается и обрабатывается АЛУ путем выработки устройством управления последовательности управляющих импульсов, воздействующих на АЛУ и другие устройства. Схемы АЛУ переключаются в соответствии с ними и выполняют то, что определено командой. Адресная часть команды заносится в регистры адреса, откуда передается на шину адресов для пересылки данных в соответствии с выполняемой командой. Устройство управления по коду команды определяет ее длину, и после выполнения первой команды к заданному первоначальному адресу прибавляет длину в байтах выполненной команды, получая новый адрес, после чего считывает из памяти по этому адресу следующую команду программы. Поэтому в ячейках памяти, следующих за расположением первой команды, должна находиться именно вторая команда, а не что-то другое. Затем устройство управления организует выполнение второй команды, определяет адрес следующей и т.д. Таким образом, устройство управления выполняет программу автоматически без вмешательства человека, заставляя бесконечно переключаться схемы АЛУ из одного состояния в другое. Вот почему, в отличие от расположения данных, которые адресуются в командах, программа должна располагаться в оперативной памяти непрерывным участком. Иначе устройство управления не найдет следующую команду для выполнения.

Устройство управления вырабатывает серии управляющих импульсов, реализуя еще один важнейший принцип, вытекающий из принципа программного управления фон Неймана и являющийся его развитием – принцип микропрограммного управления. Выполнение любой машинной операции, например, сложения, выливается в довольно емкую последовательность элементарных действий: сдвигов влево или вправо при выравнивании порядков чисел, проверок условий выравнивания порядков, анализа цепочек переносов из одного разряда в другой при сложении мантисс и т.д. Такая последовательность действий управляется сериями импульсов (микрооперациями) , вырабатываемых устройством управления и воздействующих на схемы АЛУ. Для выполнения каждой такой микрооперации оказывается возможным задать простейший набор импульсов (микрокоманду ). Совокупности таких микрокоманд образуют своего рода программы для выполнения той или иной команды процессора. Эти программы хранятся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) процессора. Устройство управления, функции которого заключаются в том, чтобы считать очередную команду программы из памяти, расшифровать ее и подключить необходимые электронные схемы и цепи АЛУ для ее выполнения, после считывания команды, обращается к ПЗУ и вызывает необходимую программу из микроопераций, которая задает распределение серий импульсов по элементам АЛУ и другим устройствам, и выполняет команду процессора.

Таким образом, практически все команды машины реализуются путем выполнения определенного набора микропрограмм. Такой подход позволяет, во-первых, сравнительно легко расширять системы команд компьютера. Команды компьютеров становятся все более сложными и схемными методами распределения импульсов их уже не реализовать. Во-вторых, сравнительно просто решается задача совместимости компьютеров путем программирования команд других машин из имеющегося набора микрокоманд данной машины. Выполняется все это на фирме-изготовителе при создании процессора.

Порядок выполнения процессором последовательности команд может быть изменен, если в программе встречается команда условного или безусловного перехода на другой ее участок. В этом случае для устройства управления в самой команде перехода указывается адрес следующей команды, которую оно должно считывать для выполнения. Поскольку внешние устройства работают значительно медленнее, чем АЛУ и память, устройство управления может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода–вывода с внешним устройством, которая реализуется специальной машинной программой, состоящей из команд устройства.

Устройство управления совместно с операционной системой обеспечивает еще один из принципов работы компьютера – многозадачность – способ организации работы компьютера, при котором в его памяти одновременно находятся программы и данные для решения нескольких задач. Для этого имеются специальные аппаратно-программные средства диспетчеризации , в том числе системы прерываний и защиты памяти.

Суть прерываний заключается в следующем.Процессор выполняет программу, пока не возникает событие, требующее ее приостановления и выполнения других действий (например, ввод данных с клавиатуры или с диска, требование от системы диспетчеризации на выполнение другой программы, запрос от внутреннего таймера на обновление текущего времени и т.д.). Процессору выставляется запрос на прерывание, то есть подается специальная команда INT n, где n – номер прерывания. Процессор на некоторое время прекращает выполнение текущей программы и занимается обслуживанием прерывания. Так как любые действия процессор может выполнять только по программе, то и обслуживание прерывания он тоже осуществляет путем выполнения специальной программы – обработчика прерывания . Каждое событие или устройство, требующие внимания процессора, имеют свой номер прерывания и соответственно программу-обработчик. Данные из регистров процессора (адрес выполняемой команды, ее код и операнды, значения флагов и др.) перемещаются в специально организованный участок памяти – стек командами процессора PUSH регистр . В освободившиеся регистры процессора заносится первая команда программы-обработчика прерывания и процессор, не замечая, что это новая программа, выполняет уже ее. Заканчивается выполнение программы-обработчика прерывания несколькими командами процессора POP регистр , извлекающими из стека в его регистры запомненную там информацию, после чего по команде IRET процессор возвращается из прерывания и снова продолжает выполнять ранее прерванную программу.

Сама программа-обработчик тоже может быть прервана, как и любая другая программа, новым прерыванием, то есть прерывания могут многократно “накладываться” одно на другое. В этом случае чаще всего прерывания “маскируются” (на них накладывается маска – ставится специальный признак). Они не обслуживаются немедленно, а становятся в очередь и обрабатываются поочередно, одно за другим. Есть прерывания, которые не маскируются и не имеют на это права. Например, прерывание от источника питания должно немедленно обрабатываться вне всякой очереди.

Каждый номер прерывания имеет указатель адреса начала его программы-обработчика. Эти указатели называются векторами прерываний . Они состоят из 4-х байт каждый и хранятся в начале оперативной памяти. В байтах вектора прерывания и указывается адрес первой команды программы-обработчика этого прерывания.

Следует подчеркнуть, что большинство векторов прерываний содержат именно адреса программ-обработчиков. Вместе с тем некоторые адреса указывают не на программы-обработчики, а на специальные таблицы с информацией. Так, вектор 1Fh указывает на таблицу – знакогенератор, содержащую битовые комбинации (шаблоны символов), используемые ROM BIOS при выводе на экран монитора символов текста, а прерывания 41h и 46h указывают на таблицу с параметрами жесткого диска (винчестера). Такие вектора прерываний используются для удобства доступа к нужной информации, а не для выполнения программы-обработчика.

Прерывания программируются на любом языке программирования высокого уровня .

Управление прерываниями осуществляет специальная микросхема– контроллер прерываний.

Идея прерываний была выдвинута и реализована для взаимодействия процессора с внешним миром. Однако оказалось, что прерывания весьма полезны и для внутренней работы компьютера. Это привело к разработке трех типов прерываний, которые получили названия аппаратных, логических и программных . Между ними принципиальной разницы нет, но источники у них разные.

Источники аппаратных прерываний – аппаратные средства. Например, запрос на прерывание выставляется при падении напряжения источника питания, нажатии клавиши на клавиатуре, приходе очередного импульса от счетчика времени, возникновении специального сигнала от накопителей на гибких и жестких магнитных дисках и др. Каждому устройству на системной шине выделена специальная отдельная линия запроса прерывания (не путать с номером прерывания). Например, с номером 7-прерывание от параллельного порта LPT1 , с номером 1-прерывание от контроллера клавиатуры, с номером 3-прерывание от последовательных портов COM2 и COM4 и т.д. Всего, например, на системной шине ISA имеется 15 линий. Когда устройство хочет “пообщаться” с процессором, оно по своей линии запроса прерывания выдает сигнал контроллеру прерываний, а он формирует команду INT n и посылает ее процессору.

Логические прерывания формируются самим процессором, когда он встречает какое-либо необычное для него условие, например, деление на нуль, шаговый режим работы, переполнение регистров при выполнении арифметических операций и т.д. В многозадачных операционных системах типа Windows процессор может генерировать прерывание при обращении к странице памяти, которая в данный момент отсутствует в основной памяти (прерывание отсутствия).

Наиболее интересная и самая обширная категория – программные прерывания. Они вырабатываются, когда одна программа хочет получить определенный сервис со стороны другой программы. Обычно это запросы программ к операционной системе для получения какого-либо сервиса.

Прерывания с номерами 0 31 обслуживаются программами базовой системы ввода-вывода BIOS . Они называются прерываниями нижнего уровня . Эти прерывания управляют непосредственно аппаратными средствами компьютера и недоступны пользователю. Прерывания с номерами свыше 32 относятся к более высокому уровню, и их обслуживание возлагается на операционную систему.

Почти каждая процедура, обслуживающая прерывание с заданным номером, выполняет несколько различных операций. Поэтому программа-обработчик содержит несколько ссылок на вторичные программы прерывания (как бы подпрограммы). Иногда их называют функциями (службами) и внутри каждого прерывания различают по номеру, то есть каждой функции, как и прерыванию, присваивается свой номер. Так, например, прерывание с номером 10h (управление видеосистемой) включает в себя более 60 различных функций и подфункций для поддержания того или иного режима работы экрана (текстовый, графический, с определенным разрешением и количеством цветов и т.д.). Выполнение функций осуществляется так: в один из регистров (чаще всего АН ) процессора заносится номер функции и вызывается содержащее ее прерывание.

В Windows 9x (NT) программные прерывания как таковые отсутствуют, хотя сам принцип работы процессора остается неизменным. Процессор, в силу мультизадачности этих систем, постоянно работает в режиме прерываний (одновременно работает несколько программ, но процессор-то только один!). Такой режим работы обеспечивает метод диспетчеризации, предоставляющий операционной системе возможность захвата CPU в любой момент времени, независимо от состояния работающих в данный момент приложений. Это позволяет Windows время работы процессора предоставлять приложениям поочередно, с перерывами, которые из-за большого быстродействия процессора пользователь не замечает.

Приложения же получают любой сервис от Windows при помощи интерфейса прикладного программирования API Win32, который содержит более 2000 различных функций и макросов . Доступ ко всем функциям API Win 32 осуществляется по имени, а не по номерам, как к прерываниям. Например, для удаления файла вместо функций 41h или 7141h прерывания INT 21h MS-DOS, используется функция API WIN32 с именем DeleteFile(). Для поддержания всеми приложениями длинных имен файлов, введенных в Windows, фирма Microsoft расширила набор функций прерывания MS-DOS INT 21h , которые полностью эквивалентны функциям API WIN32 . Для того чтобы обратиться к любой функции, программист в тексте попросту использует ее имя. Так, для вызова функции MessageBox() в выполняемый файл при компоновке программы будет включена ссылка на точку входа номер 1 модуля User . Вызов приложением функции LineTo() будет заменен ссылкой на точку входа номер 19 модуля GDI (оба модуля являются ядром Windows). Во время загрузки программы в память Windows заменит эти ссылки адресами, по которым находятся указанные программы-функции. Любой модуль, предоставляющий подобные ссылки при компоновке, называется динамически компонуемой библиотекой (DLL ). Каждая DLL декларирует набор точек входа, которые соответствуют внешним ссылкам. Бóльшая часть Windows представляет собой совокупность DLL , которые используются для взаимодействия между различными компонентами.

Приложения MS-DOS, работающие под управлением Windows, по-прежнему используют прерывания, в частности 21h, включающее всевозможные функции, обеспечивающие услуги MS-DOS. Специальный модуль Windows преобразует эти прерывания в функции интерфейса API WIN32, которые фактически и выполняются.

Работа современных компьютеров без системы прерываний немыслима.

Защита памяти. Память адресуется сегментами и смещениями внутри сегмента. Возникновение сегментов связано с внутренней структурой процессоров фирмы Intel , в которых под адресацию памяти выделяются два регистра: в одном хранится адрес сегмента, а в другом – смещение внутри сегмента от его начала, например, 0040:0017. Сегментом является участок памяти. При 32-х разрядных регистрах процессора сегмент составляет около 4 Гбайт. Встроенный менеджер памяти за счет использования виртуальной памяти позволяет работать программам так, как будто имеется до 16536 сегментов доступных каждой задаче. В защищенном режиме работы процессора (основной режим работы современных процессоров) сегментный адрес является селектором (индексом-указателем) на дескриптор истинного адреса сег-

Мента (рис. 11). Дескрипторы группируются либо в частную для процесса локальную таблицу описателей (LDT ), либо в глобальную (GDT ), которая используется совместно с различными процессами .

Таблицы дескрипторов хранятся в ОЗУ, а информация об их местонахождении хранится в регистрах CPU специ-

Рис. 11 ального назначения. Каждый генерируемый CPU адрес включает селектор, который указывает, какую таблицу дескрипторов следует использовать и порядковый номер дескриптора в этой таблице. Позиции таблицы имеют длину в 8 байт. В каждой позиции хранится дескриптор – истинный адрес сегмента и его описание: пустой сегмент, хранит программу, хранит данные, используется только для чтения, уровень доступа к нему или привилегию.

От несанкционированного доступа к данным в многозадачном режиме защита осуществляется как раз с помощью системы привилегий, регламентирующих доступ к тому или иному сегменту памяти в зависимости от уровня его защищенности и степени важности. Уровни привилегии задаются номерами от 0 до 3. Наиболее защищенная область памяти, отводимая под ядро операционной системы, имеет уровень 0. При обращении программы к сегментам программ или данных в защищенном режиме работы процессора происходит проверка уровня привилегии и в случае, если этот уровень недостаточен, происходит прерывание.

В современных персональных компьютерах центральное устройство управления, АЛУ и ПЗУ процессора объединены в одной микросхеме, которая называется центральный микропроцессор (CPU ). Для краткости в дальнейшем будем называть его просто процессор. Ведущие мировые фирмы по производству микропроцессоров это, прежде всего, INTEL (INTegrated Elec-tronics), AMD (Advanced Micro Devices), CYRIX, Chips and Technologies и др.

Следует заметить, что обмен данными центральный процессор может осуществлять только с оперативной памятью. Любые другие устройства по отношению к процессору будут внешними. Поэтому данные для обработки с внешних устройств должны быть перемещены в оперативную память. Процесс перемещения с внешних устройств в ОЗУ данных и программ для выполнения, называется загрузкой. Почти во всех компьютерах имеется канал прямого доступа к памяти (DMA ) – аппаратный интерфейс, позволяющий устройству передавать информацию в оперативную память и получать ее из памяти без участия центрального процессора, но не все устройства могут его использовать. Поэтому процесс загрузки данных в память может отнимать время у процессора, который вынужден приостанавливать свою работу и осуществлять операции обмена данными.

Многие быстродействующие компьютеры выполняют параллельную обработку данных на нескольких процессорах. Тем не менее, большинство из них в основных чертах соответствуют принципам, изложенным Джоном фон Нейманом.

Компьютер представляет собой устройство, способное испол­нять четко определенную последовательность операций, предпи­санную программой.

Понятие «компьютер» является более широ­ким, чем понятие «электронно-вычислительная машина» (ЭВМ), поскольку в последнем акцент делается на вычисления. Персо­нальный компьютер (ПК) отличается тем, что им может пользоваться один человек, не прибегая к помощи бригады обслуживающегр персонала и не отводя под него специального зала с устройства для поддержания климата, мощной системой элек-тропитанйя и прочими атрибутами больших вычислительных ма­шин. Этот компьютер обычно ориентирован на интерактивное взаимодействие с одним пользователем (в играх иногда и с дву­мя), причем взаимодействие происходит через множество сред общения, от алфавитно-цифрового и графического диалога с помощью дисплея, клавиатуры и мыши до устройств виртуальной реальности, в которой пока не задействованы, наверное, только запахи.

Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 г. английским исследователем Моррисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них построено в со­ответствии с теми принципами, которые изложил в своем докла­де в 1945 Г.Джон фон Нейман:

Прежде всего компьютер должен иметь следующие устройства:

Арифметико-логическое устройство, выполняющее ариф­метические и логические операции;

Устройство управления, которое организует процесс вы­полнения программ;

Запоминающее устройство, или память для хранения про­грамм и данных;

Внешние устройства для ввода/вывода информации.

Память компьютера должна состоять из некоторого количест­ва пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находить­ся или обрабатываться данные либо инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть легко доступны для других уст­ройств компьютера.

Связи между устройствами компьютера представлены на рис. 1.1 (одинарные линии показывают управляющие связи, двойные - информационные).

Рис. 2.1. Схема компьютера по Нейману

В общих чертах работу компьютера можно описать так. Внача­ле с помощью какого-либо внешнего устройства в память ком­пьютера вводится программа. Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических или логарифмичес­ких операций, чтение из памяти данных для выполнения арифме­тических или логических операций или запись их результатов в память, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство.

Как правило, после выполнения одной команды устройство уп­равления начинает выполнять команду из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему следует продолжить выполнение программы начи­ная с команды, содержащейся в некоторой другой ячейке памяти. Такой «скачок», или переход, в программе может выполняться не всегда, а только при выполнении некоторых условий, например, ес­ли некоторые числа равны, если в результате предыдущей арифме­тической операции получился нуль и та Это позволяет использо­вать одни и те же последовательности команд в программе много раз (т.е. организовывать цикл), выполнять различные последова­тельности команд в зависимости от выполнения определенных ус­ловий и т.д., т.е. создавать сложные программы.

Таким образом, управляющее устройство выполняет инструк­ции программы автоматически, без вмешательства человека. Оно может обмениваться информацией с оперативной памятью и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние уст­ройства как правило, работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, управляющее устройство может при­останавливать выполнение программы до завершения операции ввода/вывода с внешним устройством. Все результаты выполнен­ной программы должны быть ею выведены на внешнее устройст­во компьютера, после чего компьютер переходит к ожиданию каких-либо сигналов внешних устройств.

Следует заметить, что схема устройства современных компью­теров несколько отличается от приведенной выше. В частности, арифметико-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в одно устройство - центральный про­цессор. Кроме того, процесс выполнения программ может преры­ваться для неотложных действий, связанных с поступившими сигналами от внешних устройств компьютера. Многие быстро­действующие компьютеры осуществляют параллельную обработ­ку данных на нескольких процессорах. Тем не менее большинст­во современных компьютеров в основных чертах соответствуют принципам, изложенным фон Нейманом.

Персональные компьютеры, совместимые с IBM PC, де­лятся на несколько поколений (или классов) со следующими ха­рактерными особенностями:

IBM PC первой модели имел процессор Intel-8088, адресу­емую память 1 Мбайт, шину расширения ISA (8 бит), накопители на гибких дисках (НГМД) до 360 Кбайт.

IBM PC/XT (Extended Technology - расширенная техно­логия) - появились винчестеры - накопители на жестких дис­ках (НЖМД) и возможность установки математического сопро­цессора Intel-8087.

IBM PC/AT (Advanced Technology - прогрессивная или «продвинутая» технология): процессор Intel-80286/80287, адресуемая память 16 Мбайт, шина ISA 16 бит, НГМД 1,2 и 1,44 Мбайт, НЖМД.

B настрящее время класс машин AT развивается в нескольких направлениях: 16-разрядный процессор заменен на 32-разрядный (386 и старше), память адресуется в пространстве нескольких десятков Гбайт, применяются более эффективные шины расширения (EISА, VLB, PCI) с сохранением ISA 16 бит как дешевой щины для обеспечения совместимости со старыми адаптерами, расширяется состав устройств, имеющих системную поддержку на уровне BIOS.

Компьютеры IBM имеют открытую архитектуру и собираются из набора устройств, позволяющих комбинировать множество вариантов. В отличие от них компьютеры Macintosh фирмы Apple поставляются в хорошо закрытом корпусе и практически нет воз­можности что либо изменить в них.

Обычно персональные компьютеры IBM PC состоят из трех частей (блоков):

Системного блока;

Клавиатуры, позволяющей вводить символы в компьютер;

Монитора (или дисплея) - для отображения текстовой иди графической информации.

Компьютеры выпускаются и в портативном варианте - в «на­коленном » (лэптор), или «блокнотном» (ноутбук) исполнении. Здесь системный блок, монитор и клавиатура заключены в один корпус.

Системный блок является в компьютере «главным». В нем распрлагаются все основные узлы компьютера:

Электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессор, оперативная память, контроллеры устройств и т.д.

Блок питания, преобразующий электропитание сети в по­стоянный; ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;

Накопители (или дисководы), используемые для чтения и записи на гибкие магнитные диски (дискеты), CD, DVD;

Накопитель нз жестком магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на несъемный жесткий магнитный диск (винчестер).

Дополнительные устройства: к системному блоку компьюте­ра IBM PC можно подключить различные устройства ввода/выво­да информации, расширяя тем самым его функциональные воз­можности. Многие устройства подсоединяются через специальные гнезда (разъемы).

Кроме монитора и клавиа­туры, такими устройствами являются:

Принтер - для вывода на печать текстовой и графической информации;

Мышь - устройство, облегчающее ввод информации в ком­пьютер;

Джойстик -(для компьютерных игр).

Подключение этих устройств выполняется с помощью специаль­ных проводов (кабелей). Для защиты от ошибок разъемы для кабе­лей сделаны разными. Некоторые кабели (например, для соедине­ния монитора или принтера) закрепляются с помощью винтов.

Устройства могут вставляться внутрь системного блока ком­пьютера, например:

Модем - для обмена информацией с другими компьюте­рами через телефонную сеть;

Факс-модем - сочетает возможности модема и телефакса.

Некоторые устройства, например многие разновидности ска­неров, используют смешанный способ подключения: в систем­ный блок компьютера вставляется только электронная плата (контроллер), управляющая работой устройства, а само устройст­во подсоединяется к этой плате кабелем.

Логическое устройство компьютера – процессор , выполняющий все вычисления и обра­ботку информации. В компьютерах типа IBM PC используются процессоры фирмы Intel, а также совмести­мые с ними процессоры других фирм (AMD, Cyrix, IBM и др.).

В тех случаях, когда на компьютере приходится выполнять много математических вычислений к основному процессору добавляют математический сопроцессор . Он помогает основному процессору производить математические операции над вещественными числами. Сейчас микропроцессоры фирмы Intel сами выполняют эти операции, так что для них сопроцессор не требуется.

Следующим очень важным элементом компьютера является оперативная память . Именно из нее про цессор и сопроцессор берут программы и исходные данные для обработки; в нее они записывают полученные результаты. Назва ние «оперативная» эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память. Однако содержащиесяв ней данные сохраняются, только пока компьютер включен.

Для работы компьютера необходим обмен ин­формацией между оперативной памятью и внешними устройствами. Такой обмен называется вводом/выводом. Но этот обмен не происходит непосредственно: между любым внешним устройством и оперативной памятью в компьютере имеются два промежуточных звена:

1. Для каждого внешнего устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером, или адаптером . Некоторые контроллеры (например, контроллеры дисков) могут управлять сразу несколькими устройствами.

2. Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с процессо­ром и оперативной памятью через системную магистраль переда­чи данных, которую обычно называют шиной .

Для упрощения подключения устройств электронные схемы IBM PC состоят из нескольких модулей - эле­ктронных плат . На основной плате компьютера - системной (ма­теринской) обычно располагаются основной процессор, сопроцес­сор, оперативная память, шины. Схемы, управляющие некоторыми внешними и дополнительными устройствами компьютера (кон­троллеры или адаптеры), находятся на отдельных платах, вставля­ющихся в унифицированные разъемы (слоты ) на материнской пла­те. Через эти разъемы контроллеры устройств подключаются непосредственно к системной магистрали передачи данных в ком­пьютере - шине. Таким образом, наличие свободных разъемов шины обеспечивает возможность добавления к компьютеру новых устройств. Чтобы заменить одно устройство другим, надо вынуть соответствую­щую плату из разъема и вставить вместо нее другую.

Одним из контроллеров, которые присутствуют почти в каждом компьютере, является контроллер портов ввода/вывода . Эти порты бывают следующих типов:

Параллельные (обозначаемые LPT1 - LPT4), к ним обыкно­венно подключаются принтеры;

Асинхронные последовательные (обозначаемые СОМ1 - COM3). Через них обычно подсоединяются мышь, модем и т.д.;

Игровой порт - для подключения джойстика. Некоторые устройства могут подключаться и к параллельным, и к последовательным портам. Параллельные порты выполняют ввод и вывод с большей скоростью, чем последовательные (за счет использования большого числа проводов в кабеле).

Комплектующие элементы IBM продаются в виде отдельных ус­тройств. Преимущество такой поставки заключается в возможнос­ти создавать конфигурацию системы в соответствии со своими по­требностями. Обычно предпочтительными оказываются варианты конфигурации, обеспечивающие большую гибкость системы.

Наиболее важные компоненты и параметры, определяющие до­стоинства системы IBM . К ним относятся следующие компоненты:

Микропроцессор (процессор);

Тактовая частота;

Объем памяти и скорость обращения к ней;

Объем памяти жесткого диска и скорость записи/счи­тывания

Быстродействие является самым существенным параметром при использовании компьютера в «медленных» процессах, к которым относится издательская обработка текста. Такие операции, как «выключка» строк, размещение текста на странице, осуществ­ление режима для совместного представления текста и графиче­ских изображений, требуют значительных затрат времени даже в лучших современных машинах.

Соответствующая организация управления работой процессора позволяет решать сразу несколько задач или обслуживать несколь­ко пользователей. Распределение времени и ресурсов процессора между пользователями осуществляет операционная система.

Персональный компьютер - универсальная техническая система.

Его конфигурацию (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости.

Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. В таком комплекте компьютер обычно поставляется.

Понятие базовой конфигурации может меняться.

В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают четыре устройства:

• системный блок;
• монитор;
• клавиатуру;
• мышь.

Помимо компьютеров с базовой конфигурации все большее распространение получают мультимедийные компьютеры, оснащенные устройством чтения компакт-дисков, колонками и микрофоном.

Справка : «Юлмарт», на сегодняшний день самый хороший и удобный интернет магазин, где бесплатно вас проконсультируют при покупке компьютера любой конфигурации.

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты.

Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними.

Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными.

Как устроен системный блок

По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса.

Корпуса персональных компьютеров выпускают в горизонтальном (desktop) и вертикальном (tower) исполнении.

Корпуса, имеющие вертикальное исполнение, различают по габаритам:

• полноразмерный (big tower);
• среднеразмерный (midi tower);
• малоразмерный (mini tower).

Среди корпусов, имеющих горизонтальное исполнение, выделяют плоские и особо плоские (slim).

Выбор того или иного типа корпуса определяется вкусом и потребностями модернизации компьютера.

Наиболее оптимальным типом корпуса для большинства пользователей является корпус типа mini tower.

Он имеет небольшие габариты, его удобно располагать как на рабочем столе, так и на тумбочке вблизи рабочего стола или на специальном держателе.

Он имеет достаточно места для размещения от пяти до семи плат расширения.

Кроме формы, для корпуса важен параметр, называемый форм-фактором.От него зависят требования к размещаемым устройствам.

В настоящее время в основном используются корпуса двух форм-факторов: AT и АТХ.

Форм-фактор корпуса должен быть обязательно согласован с форм-фактором главной (системной) платы компьютера, так называемой материнской платы.

Корпуса персональных компьютеров поставляются вместе с блоком питания и, таким образом, мощность блока питания также является одним из параметров корпуса.

Для массовых моделей достаточной является мощность блока питания 200-250 Вт.

В системный блок входит (вмещается):

• Материнская плата
• Микросхема ПЗУ и система BIOS
• Энергонезависимая память CMOS
• Жесткий диск

Материнская плата

Материнская плата (mother board ) - основная плата персонального компьютера, представляющая из себя лист стеклотекстолита, покрытый медной фольгой.

Путем травления фольги получают тонкие медные проводники соединяющие электронные компоненты.

На материнской плате размещаются:

• процессор - основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций;
• шины - наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;
• оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) - набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен;
• ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) - микросхема, предназначенная для длительного хранения данных, в том числе и когда компьютер выключен;
• микропроцессорный комплект (чипсет) - набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы;
• разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты).

(микропроцессор, центральный процессор, CPU) - основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления.

Он представляет из себя большую микросхему, которую можно легко найти на материнской плате.

На процессоре устанавливается большой медный ребристый радиатор, охлаждаемый вентилятором.

Конструктивно процессор состоит из ячеек, в которых данные могут не только храниться, но и изменяться.

Внутренние ячейки процессора называют регистрами.

Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах.

Среди регистров процессора есть и такие, которые в зависимости от своего содержания способны модифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных.

На этом и основано исполнение программ.

С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами.

Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.

Адресная шина

У процессоров Intel Pentium (а именно они наиболее распространены в персональных компьютерах) адресная шина 32-разрядная, то есть состоит из 32 параллельных линий. В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комбинация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.

Шина данных

По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на базе процессоров Intel Pentium, шина данных 64-разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.

Шина команд

Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, но не из тех областей, где хранятся массивы данных, а оттуда, где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. Самые простые команды укладываются в один байт, однако есть и такие, для которых нужно два, три и более байтов. В большинстве современных процессоров шина команд 32-разрядная (например, в процессоре Intel Pentium), хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже 128-разрядные.

В процессе работы процессор обслуживает данные, находящиеся в его регистрах, в поле оперативной памяти, а также данные, находящиеся во внешних портах процессора.

Часть данных он интерпретирует непосредственно как данные, часть данных - как адресные данные, а часть - как команды.

Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора.

Основными параметрами процессоров являются:

• рабочее напряжение
• разрядность
• рабочая тактовая частота
• коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты
• размер кэш памяти

Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). По мере развития процессорной техники происходит постепенное понижение рабочего напряжения.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт).

В основе работы процессора лежит тот же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов.

В настенных часах такты колебаний задает маятник; в ручных механических часах их задает пружинный маятник; в электронных часах для этого есть колебательный контур, задающий такты строго определенной частоты.

В персональном компьютере тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате.

Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность.

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью.

Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область - так называемую кэш память.Это как бы «сверхоперативная память».

Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память.

Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш память.

«Удачные» обращения в кэш память называют попаданиями в кэш.

Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш памяти, поэтому высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш памяти.

Нередко кэш память распределяют по нескольким уровням.

Кэш первого уровня выполняется в том же кристалле, что и сам процессор, и имеет объем порядка десятков Кбайт.

Кэш второго уровня находится либо в кристалле процессора, либо в том же узле, что и процессор, хотя и исполняется на отдельном кристалле.

Кэш-память первого и второго уровня работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора.

Кэш-память третьего уровня выполняют на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещают на материнской плате вблизи процессора. Ее объемы могут достигать нескольких Мбайт, но работает она на частоте материнской платы.

Шинные интерфейсы материнской платы

Связь между всеми собственными и подключаемыми устройствами материнской платы выполняют ее шины и логические устройства, размещенные в микросхемах микропроцессорного комплекта (чипсета).

От архитектуры этих элементов во многом зависит производительность компьютера.

Шинные интерфейсы

ISA (Industry Standard Architecture) - устаревшая системная шина IBM PC-совместимых компьютеров.

EISA (Extended Industry Standard Architecture) - Расширение стандарта ISA. Отличается увеличенным разъемом и увеличенной производительностью (до 32 Мбайт/с). Как и ISA, в настоящее время данный стандарт считается устаревшим.

PCI (Peripheral Component Interconnect - дословно: взаимосвязь периферийных компонентов) - шина ввода/вывода для подключения периферийных устройств к материнской плате компьютера.

AGP (Accelerated Graphics Port - ускоренный графический порт) - разработанная в 1997 году компанией Intel, специализированная 32-битная системная шина для видеокарты. Основной задачей разработчиков было увеличение производительности и уменьшение стоимости видеокарты, за счет уменьшения количества встроенной видеопамяти.

USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная магистраль) - Этот стандарт определяет способ взаимодействия компьютера с периферийным оборудованием. Он позволяет подключать до 256 различных устройств, имеющих последовательный интерфейс. Устройства могут включаться цепочками (каждое следующее устройство подключается к предыдущему). Производительность шины USB относительно невелика и составляет до 1.5 Мбит/с, но для таких устройств, как клавиатура, мышь, модем, джойстик и тому подобное, этого достаточно. Удобство шины состоит в том, что она практически исключает конфликты между различным оборудованием, позволяет подключать и отключать устройства в «горячем режиме» (не выключая компьютер) и позволяет объединять несколько компьютеров в простейшую локальную сеть без применения специального оборудования и программного обеспечения.

Параметры микропроцессорного комплекта (чипсета) в наибольшей степени определяют свойства и функции материнской платы.

В настоящее время большинство чипсетов материнских плат выпускаются на базе двух микросхем, получивших название «северный мост» и «южный мост».

«Северный мост» управляет взаимосвязью четырех устройств: процессора, оперативной памяти, порта AGP и шины PCI. Поэтому его также называют четырехпортовым контроллером.

«Южный мост» называют также функциональным контроллером. Он выполняет функции контроллера жестких и гибких дисков, функции моста ISA - PCI, контроллера клавиатуры, мыши, шины USB и тому подобное

(RAM - Random Access Memory) - это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные.

Существует много различных типов оперативной памяти, но с точки зрения физического принципа действия различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM).

Ячейки динамической памяти (DRAM) можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках.

Это наиболее распространенный и экономически доступный тип памяти.

Недостатки этого типа связаны, во-первых, с тем, что как при заряде, так и при разряде конденсаторов неизбежны переходные процессы, то есть запись данных происходит сравнительно медленно.

Второй важный недостаток связан с тем, что заряды ячеек имеют свойство рассеиваться в пространстве, причем весьма быстро.

Если оперативную память постоянно не «подзаряжать», утрата данных происходит через несколько сотых долей секунды.

Для борьбы с этим явлением в компьютере происходит постоянная регенерация (освежение, подзарядка) ячеек оперативной памяти.

Регенерация осуществляется несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы.

Ячейки статической памяти (SRAM) можно представить как электронные микроэлементы - триггеры, состоящие из нескольких транзисторов.

В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и, соответственно, дороже.

Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной памяти компьютера.

Микросхемы статической памяти используют в качестве вспомогательной памяти (так называемой кэш памяти), предназначенной для оптимизации работы процессора.

Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается числом.

Одна адресуемая ячейка содержит восемь двоичных ячеек, в которых можно сохранить 8 бит, то есть один байт данных.

Таким образом, адрес любой ячейки памяти можно выразить четырьмя байтами.

Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках, называемых модулями.

Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате.

Конструктивно модули памяти имеют два исполнения - однорядные (SIMM-модули) и двухрядные (DIMM-модули).

Основными характеристиками модулей оперативной памяти являются объем памяти и время доступа.

Время доступа показывает, сколько времени необходимо для обращения к ячейкам памяти - чем оно меньше, тем лучше. Время доступа измеряется в миллиардных долях секунды (наносекундах, нс).

Микросхема ПЗУ и система BIOS

В момент включения компьютера в его оперативной памяти нет ничего - ни данных, ни программ, поскольку оперативная память не может ничего хранить без подзарядки ячеек более сотых долей секунды, но процессору нужны команды, в том числе и в первый момент после включения.

Поэтому сразу после включения на адресной шине процессора выставляется стартовый адрес.

Это происходит аппаратно, без участия программ (всегда одинаково).

Процессор обращается по выставленному адресу за своей первой командой и далее начинает работать по программам.

Этот исходный адрес не может указывать на оперативную память, в которой пока ничего нет.

Он указывает на другой тип памяти - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию, даже когда компьютер выключен.

Программы, находящиеся в ПЗУ, называют «зашитыми» - их записывают туда на этапе изготовления микросхемы.

Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода (BIOS - Basic Input Output System).

Основное назначение программ этого пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков.

Программы, входящие в BIOS, позволяют нам наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера, а также вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры.

Энергонезависимая память CMOS

Работа таких стандартных устройств, как клавиатура, может обслуживаться программами, входящими в BIOS, но такими средствами нельзя обеспечить работу со всеми возможными устройствами.

Так, например, изготовители BIOS абсолютно ничего не знают о параметрах наших жестких и гибких дисков, им не известны ни состав, ни свойства произвольной вычислительной системы.

Для того чтобы начать работу с другим оборудованием, программы, входящие в состав BIOS, должны знать, где можно найти нужные параметры.

По очевидным причинам их нельзя хранить ни в оперативной памяти, ни в постоянном запоминающем устройстве.

Специально для этого на материнской плате есть микросхема «энергонезависимой памяти», по технологии изготовления называемая CMOS.

От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не стирается во время выключения компьютера, а от ПЗУ она отличается тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы.

Эта микросхема постоянно подпитывается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате.

Заряда этой батарейки хватает на то, чтобы микросхема не теряла данные, даже если компьютер не будут включать несколько лет.

В микросхеме CMOS хранятся данные о гибких и жестких дисках, о процессоре, о некоторых других устройствах материнской платы.

Тот факт, что компьютер четко отслеживает время и календарь (даже и в выключенном состоянии), тоже связан с тем, что показания системных часов постоянно хранятся (и изменяются) в CMOS.

Таким образом, программы, записанные в BIOS, считывают данные о составе оборудования компьютера из микросхемы CMOS, после чего они могут выполнить обращение к жесткому диску, а в случае необходимости и к гибкому, и передать управление тем программам, которые там записаны.

Жесткий диск

Жесткий диск - основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ.

На самом деле это не один диск, а группа соосных дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой скоростью.

Таким образом, этот «диск» имеет не две поверхности, как должно быть у обычного плоского диска, а 2n поверхностей, где n - число отдельных дисков в группе.

Над каждой поверхностью располагается головка, предназначенная для чтения-записи данных.

При высоких скоростях вращения дисков (90 об/с) в зазоре между головкой и поверхностью образуется аэродинамическая подушка, и головка парит над магнитной поверхностью на высоте, составляющей несколько тысячных долей миллиметра.

При изменении силы тока, протекающего через головку, происходит изменение напряженности динамического магнитного поля в зазоре, что вызывает изменения в стационарном магнитном поле ферромагнитных частиц, образующих покрытие диска.Так осуществляется запись данных на магнитный диск.

Операция считывания происходит в обратном порядке.

Намагниченные частицы покрытия, проносящиеся на высокой скорости вблизи головки, наводят в ней ЭДС самоиндукции.

Электромагнитные сигналы, возникающие при этом, усиливаются и передаются на обработку.

Управление работой жесткого диска выполняет специальное аппаратно-логическое устройство - контроллер жесткого диска.

В настоящее время функции контроллеров дисков выполняют микросхемы, входящие в микропроцессорный комплект (чипсет), хотя некоторые виды высокопроизводительных контроллеров жестких дисков по-прежнему поставляются на отдельной плате.

К основным параметрам жестких дисков относятся емкость и производительность.

На жестком диске может храниться годами, однако иногда требуется ее перенос с одного компьютера на другой.

Несмотря на свое название, жесткий диск является весьма хрупким прибором, чувствительным к перегрузкам, ударам и толчкам.

Теоретически, переносить информацию с одного рабочего места на другое путем переноса жесткого диска возможно, и в некоторых случаях так и поступают, но все-таки этот прием считается нетехнологичным, поскольку требует особой аккуратности и определенной квалификации.

Для оперативного переноса небольших объемов информации используют так называемые гибкие магнитные диски (дискеты), которые вставляют в специальный накопитель - дисковод.

Приемное отверстие накопителя находится на лицевой панели системного блока.

Начиная с 1984 года выпускались гибкие диски 5.25 дюйма высокой плотности (1.2 Мбайт).

В наши дни диски размером 5.25 дюйма не используются, и соответствующие дисководы в базовой конфигурации персональных компьютеров после 1994 года не поставляются.

Гибкие диски размером 3.5 дюйма выпускают с 1980 года.

Сейчас стандартными считают диски размером 3.5 дюйма высокой плотности. Они имеют емкость 1440 Кбайт (1.4 Мбайт) и маркируются буквами HD (high density - высокая плотность).

С нижней стороны гибкий диск имеет центральную втулку, которая захватывается шпинделем дисковода и приводится во вращение.

Магнитная поверхность прикрыта сдвигающейся шторкой для защиты от влаги, грязи и пыли.

Если на гибком диске записаны ценные данные, его можно защитить от стирания и перезаписи, сдвинув защитную задвижку так, чтобы образовалось открытое отверстие.

Гибкие диски считаются малонадежными носителями информации.

Пыль, грязь, влага, температурные перепады и внешние электромагнитные поля очень часто становятся причиной частичной или полной утраты данных, хранившихся на гибком диске.

Поэтому использовать гибкие диски в качестве основного средства хранения информации недопустимо.

Их используют только для транспортировки информации или в качестве дополнительного (резервного) средства хранения.

Дисковод компакт-дисков CD-ROM

Аббревиатура CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) переводится на русский язык как постоянное запоминающее устройство на основе компакт-диска.

Принцип действия этого устройства состоит в считывании числовых данных с помощью лазерного луча, отражающегося от поверхности диска.

Цифровая запись на компакт-диске отличается от записи на магнитных дисках очень высокой плотностью, и стандартный компакт-диск может хранить примерно 650 Мбайт данных.

Большие объемы данных характерны для мультимедийной информации (графика, музыка, видео), поэтому дисководы CD-ROM относят к аппаратным средствам мультимедиа.

Программные продукты, распространяемые на лазерных дисках, называют мультимедийными изданиями.

Сегодня мультимедийные издания завоевывают все более прочное место среди других традиционных видов изданий.

Так, например, существуют книги, альбомы, энциклопедии и даже периодические издания (электронные журналы), выпускаемые на CD-ROM.

Основным недостатком стандартных дисководов CD-ROM является невозможность записи данных, но параллельно с ними существуют и устройства однократной записи CD-R (Compact Disk Recorder), и устройства многократной записи CD-RW.

Основным параметром дисководов CD-ROM является скорость чтения данных.

В настоящее время наибольшее распространение имеют устройства чтения CD-ROM с производительностью 32х-50х. Современные образцы устройств однократной записи имеют производительность 4х-8х, а устройств многократной записи - до 4х.