Новини освіти і науки:

G+

Тлумачний словник
Авто
Автоматизація
Архітектура
Астрономія
Аудит
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Винахідництво
Виробництво
Військова справа
Генетика
Географія
Геологія
Господарство
Держава
Дім
Екологія
Економетрика
Економіка
Електроніка
Журналістика та ЗМІ
Зв'язок
Іноземні мови
Інформатика
Історія
Комп'ютери
Креслення
Кулінарія
Культура
Лексикологія
Література
Логіка
Маркетинг
Математика
Машинобудування
Медицина
Менеджмент
Метали і Зварювання
Механіка
Мистецтво
Музика
Населення
Освіта
Охорона безпеки життя
Охорона Праці
Педагогіка
Політика
Право
Програмування
Промисловість
Психологія
Радіо
Регилия
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Технології
Торгівля
Туризм
Фізика
Фізіологія
Філософія
Фінанси
Хімія
Юриспунденкция

Апаратні засоби ЕОМ

Будь-яка ЕОМ складається з електронних операційних пристроїв, що виконують операції, задані програмою, і генерують, транспортують та перетворюють електричні імпульси, якими позначено одиниці й нулі. Порівнюючи структуру, конструктивне оформлення і технічні можливості різних комп'ютерів, можна помітити їх схожість.

Узагальнена структура ЕОМ складається з процесора (центрального процесора), пам'яті та пристроїв уведення-виведення (див. рис. 11.2), конструктивно оформлених у вигляді системного блока і консолі (клавіатура та монітор). Це основний комплект комп'ютера, що забезпечує цілеспрямоване зчитування, накопичення, додавання, об'єднання, розподіл, перетворення електричних імпульсів в операційних елементах за певними правилами, визначеними програмою і внутрішньою архітектурою ЕОМ. Крім того, залежно від типу та призначення комп'ютера до нього можуть приєднуватись різноманітні допоміжні й додаткові пристрої, які розширюють комп'ютерну систему і називаються периферійними пристроями.

Технічні можливості та універсальність комп'ютера визначаються двома факторами.

Перший — це швидкодія електронних пристроїв. Дії, виконувані комп'ютером, досить прості, але здійснюються вони дуже швидко. Кожна операція виконується за частки мілісекунди (сучасний суперкомп’ютер здійснює до одного трильйона операцій за секунду), а з тисяч найелементарніших операцій миттєво складаються дії, що відповідають рівню складності поставлених задач.

Другий фактор пов'язаний з різноманітністю можливих інтерпретацій електричних імпульсів, які в комп'ютері генеруються, перетворюються, пересилаються. Залежно від побажань користувача ці імпульси (одиниці та нулі) можна ототожнювати з числами,

*Тут і далі вживаються загальноприйняті абревіатури англійською мовою.

фрагментами тексту, елементами рисунка, звуками, контролювальними або керувальними сигналами тощо. З часом ці можливості розширюються і принципово обмежуються лише ємністю пам'яті.

Таким чином, основними технічними характеристиками комп'ютера, що визначають можливості його застосування, є швидкодія та ємність пам'яті, які забезпечуються певною конструкцією процесора (центрального процесора) і внутрішньої пам'яті.

Центральний процесор. Він містить пристрій керування та АЛП з регістровою пам'яттю. Його призначення — обробляти одержану з пам'яті інформацію і керувати роботою всіх інших пристроїв ЕОМ.

Пристрій керування центрального процесора керує виконанням команд, а також роботою всіх пристроїв комп'ютера як внутрішніх (АЛП та пам'ять), так і периферійних через спеціальні процесори — контролери. Керування виконанням команд здійснюється замкненим циклом: пристрій керування посилає команди операційним пристроям комп'ютера й одержує підтвердження про їх виконання. Кожен крок командного циклу починається синхроімпульсом тактового генератора. В багатьох комп'ютерах частоту може задавати користувач. У сучасних комп'ютерах тактова частота може перевищувати 150 МГц.

Цикл виконання команди складається з чотирьох фаз*:

• вибір команди (перенесення копії команди з пам'яті в регістр команд пристрою керування);

• декодування команди (розшифрування коду операції та розпізнавання операнда згідно з кодом адресної частини команди);

• виконання команди (керування роботою операційних пристроїв відповідно до змісту виконуваної команди);

• перехід до наступної команди (визначення за допомогою лічильника команд адреси в пам'яті, де знаходиться чергова команда).

Після визначення адреси наступної команди (її номера у програмі) ЕОМ переходить до виконання першої фази нового циклу. Нормальний порядок роботи комп'ютера — послідовний. Це забезпечується лічильником команд, в якому до попереднього числа після кожного нового циклу додається одиниця. Проте іноді замість повного командного циклу виконується скорочений. Це відбувається при виконанні команд переходу (умовного або безумовного), що забезпечують розгалуження в програмах. У цих випадках у команді переходу вказується номер (адреса) тієї команди, яку треба виконати після команди переходу. Команди переходу не мають фази виконання і після їх декодування комп'ютер безпосередньо переходить до вказаної команди.

Арифметико-логічний пристрій бере участь в обробленні різних видів інформації, в чому числі текстів. Основними його операціями є додавання та порівняння, а основними елементами — регістри. В них здійснюються тимчасове запам'ятовування операндів і результатів виконання операцій, а також арифметичні операції. Особливе місце серед регістрів займає регістр-акумулятор, призначений для накопичення інформації, що значно підвищує ефективність складних обчислень.

Пам'ять комп'ютера. Призначена вона для запису, видачі та зберігання різної інформації: програм, вихідних даних, проміжних й остаточних результатів оброблення даних. Раціональна організація пам'яті передбачає застосування ієрархічної структури ЗП, оскільки за допомогою одного типу ЗП необхідної ємності практично неможливо реалізувати високу швидкодію при достатній ємності та мінімальній кількості комплектуючих. За класифікацією ЗП у цій ієрархії можна виділити різні рівні пам'яті (табл. 11.1).

Оперативна внутрішня пам'ять (RАМ) характеризується тим, що в ній розміщуються

програма і дані, над якими комп'ютер виконує операції під час роботи за програмою.

*У 1997 р. з'явились надшвидкодійні процесори шостого покоління АМD-К6, в яких найпоширеніші команди виконуються за один такт.

Таблиця 11.1

Пам’ять	Час доступу, Нс	Ємність пам’яті	Елементна база
Внутрішня	Регістрова Буферна (Cache) Оперативна (RAM) Постійна (ROM) Зовнішня	5…7 10…20 60…200 70…200	16…64 регістрів 1…16 Кбайт 64 Кбайт…1 Мбайт 1…256 Мбайт 64…128 Кбайт 1…4000 Мбайт	Вбудована в процесор L1 (вбудована в процесор) L2 (мікросхеми) Мікросхеми Те саме Магнітні та оптичні диски, стримери

Характерною ознакою цієї пам'яті є прямий або довільний доступ до інформації, тобто вона використовується як для зчитування з неї інформації, так і для запису нової, здобутої в процесі виконання програми. RAM-пам'ять тимчасова, тобто вона зберігає інформацію тільки тоді, коли комп'ютер підключений до електромережі. Ця пам'ять має бути швидкодійною, але це суперечить її ємності: чим більша швидкодія пам'яті, тим менша її ємність (див. табл. 11.1). Отже, ємність оперативної внутрішньої пам'яті комп'ютера обмежена. Тому, крім неї, потрібна ще зовнішня пам'ять із постійним зберіганням великих обсягів інформації.

Оперативну внутрішню пам'ять будують на мікросхемах динамічного типу з довільним доступом (DRAM). Кожен її біт відтворюється напівпровідниковим конденсатором, на обкладці якого є (або відсутній) електричний заряд. У другому різновиді оперативної внутрішньої пам'яті — статичному (SRAM) — елементом пам'яті є статичний тригер. Для реалізації одного елемента динамічної пам'яті потрібно один-два транзистори, а для статичної їх кількість зростає до чотирьох—шести. Це значить, що динамічна пам’ять потребує меншої кількості апаратного забезпечення але статична пам'ять більш швидкодійна.

Швидкодія оперативної внутрішньої пам'яті порівняно з сучасними процесорами, тактова частота яких перевищує 150...200 МГц, дуже мала і стимулювала б швидкість виконання операцій, якби не було надоперативної буферної пам'яті (Cache), що має невелику ємність, але її швидкодія на порядок вища.

Буферна внутрішня пам'ять (Cache) призначена для узгодження швидкості роботи порівняно повільних пристроїв, таких, наприклад, як динамічна пам'ять із швидким процесором. Робота більшості елементів процесора, схожа з роботою тригерів. Буферну внутрішню пам'ять теж будують виключно на тригерах і тому в її роботі з процесором можна запобігти циклам чекання. Вона «узгоджує» швидкості роботи процесора й оперативної внутрішньої пам'яті. Коли за програмою процесор «звертається» до пам'яті, то перевіряється наявність даних у буфері і, якщо вони там відсутні, відбувається «завантаження» інформації з оперативної внутрішньої пам'яті не тільки в процесор, а й у буферну пам'ять. Тому наступне звернення до тих самих комірок пам'яті відбувається швидше.

Буферна пам'ять використовується на межі внутрішньої та зовнішньої пам'яті. Тут різниця в часі доступу ще більша, ніж між оперативною пам'яттю і процесором. Тому використання буфера за цих умов для прискорення роботи дуже ефективне.

Регістрова внутрішня пам'ять має найвищу швидкодію і зосереджується в процесорі у вигляді кількох десятків регістрів загального призначення та інших спеціальних регістрів (див. рис. 11.3). Вона використовується для зберігання операндів, проміжних даних, кодів команд, узгодження між собою окремих операційних елементів тощо.

Оперативна внутрішня пам’ять (RАМ) характеризується тим, що в ній розміщуються програма і дані, над якими комп’ютер виконує операції під час роботи за програмою. Характерною ознакою цієї пам’яті є прямий або довільний доступ до інформації, тобто вона використовується як для зчитування з неї інформації, так і для запису нової, здобутої в процесі виконання програми. RAM- пам’ять тимчасова, тобто вона зберігає інформацію тільки тоді, коли комп’ютер підключений до електромережі. Ця пам’ять має бути швидкодійною, але це суперечить її ємності: чим більша швидкодія пам’яті, тим менша її ємність (див. табл. 11.1). Отже, ємність оперативної внутрішньої пам’яті комп’ютера обмежена. Тому, крім неї, потрібна і ще зовнішня пам’ять із постійним зберіганням великих обсягів інформації.

Оперативну внутрішню пам’ять будують на мікросхемах динамічного типу з довільним доступом (DЯАМ). Кожен ЇЇ біт відтворюється напівпровідниковим конденсатором, на обкладці якого є (або відсутній) електричний заряд. У другому різновиді оперативної внутрішньої пам’яті — статичному (SЯАМ) — елементом пам’яті є статичний тригер. Для реалізації ., одного елемента динамічної пам’яті потрібно один-два транзистори, а для статичної їх кількість зростає до чотирьох—шести. Це значить, що динамічна пам’ять потребує меншої кількості програмного забезпечення, але статична пам’ять більш швидкодійна.

Швидкодія оперативної внутрішньої пам’яті порівняно з сучасними процесорами, тактова частота яких перевищує 150...200 МГц, дуже мала і стимулювала б швидкість виконання операцій, якби не було надоперативної буферної пам’яті (Caсhе), що має невелику ємність, але ЇЇ швидкодія на порядок вища.

Буферна внутрішня пам’ять (Caсhе) призначена для узгодження швидкості роботи порівняно повільних пристроїв, таких, наприклад, як динамічна пам’ять із швидким процесором. Робота більшості елементів процесора схожа .з роботою тригерів. Буферну внутрішня пам’ять теж будують виключно на тригерах і тому в її роботі з процесором можна запобігти циклам чекання. Вона «узгоджує» швидкості роботи процесора й оперативної внутрішньої пам’яті. Коли за програмою процесор «звертається» до пам’яті, то перевіряється наявність даних у буфері і, якщо вони там відсутні, відбувається «завантаження» інформації з оперативної внутрішньої пам’яті не тільки в процесор, а й у буферну пам’ять. Тому наступне звернення до тих самих комірок пам’яті відбувається швидше.

Буферна пам’ять використовується на межі внутрішньої та зовнішньої пам’яті. Тут різниця в часі доступу ще більша, ніж між оперативною пам’яттю і процесором. Тому використання буфера за цих умов для прискорення роботи дуже ефективне.

Регістрова внутрішня пам’ять має найвищу швидкодію і зосереджується в процесорі у вигляді кількох десятків регістрів загального призначення та інших спеціальних регістрів (див. рис. 11.3). Вона використовується для зберігання операндів, проміжних даних, кодів команд, узгодження між собою окремих операційних елементів тощо.

Постійна внутрішня пам’ять (RОМ) містить постійні елементи програмного забезпечення (перш за все основні частини операційної системи) та ті часто вживані алгоритми оброблення інформації, які реалізують не програмним, а апаратним способом. Ця пам’ять призначена тільки для зчитування інформації. Всі записи в неї, здійснювані під час виготовлення комп’ютера, визначаються не програмістами, а конструкторами.

Проте деякі різновиди постійної пам’яті в певних межах можуть змінювати інформацію, що міститься в них. Це ЕП з перепалюваними за допомогою спеціальних програматорів перемичками (РRОМ), пам’ять, яку можна стерти ультрафіолетовим опромінюванням (ЕРRОМ), пам’ять, яку можна стерти і перезаписати електромагнітним способом (ЕЕРRОМ). Однак для користувача всі ці види пам’яті є лише пам’яттю для читання, оскільки він не може змінювати їхній зміст. У деяких комп’ютерах застосовують різновид постійної пам’яті, що характеризується підвищеною швидкодією і може багаторазово програмуватись користувачем (флеш-пам’ять).

Одним із застосувань флеш-пам’яті є мікросхеми базової системи введення-виведення інформації (ВІОS). Вона забезпечує зв’язки та комунікації І дає можливість процесору «спілкуватися» з іншими пристроями комп’ютера. Здебільшого програми, записані в конкретну BIOS, замінюють відповідні програмні модулі основної BIOS. Більшість контролерів, накопичувачів, відеоадаптерів тощо мають власні BIOS, які доповнюють основну систему.

Зовнішня пам’ять призначена для тривалого зберігання інформації та програмних продуктів на фізичних носіях. Найпоширенішими з них с магнітні носії інформації. їхній принцип дії нічим не відрізняється від принципу дії аудіо- або відеомагнітофона. Ємність, швидкодія і зручність використання зовнішньої пам’яті залежать від вибору носія інформації.

Найдешевшим носієм інформації є магнітна стрічка, а найдешевшими пристроями введення-виведення для стрічок — стримери. Проте стрічки мають дуже низьку швидкодію і незручні в роботі. Існує лише один спосіб організації даних на стрічці — серійний файл. Однак відшукати на ній потрібну інформацію досить важко: в її пошуках треба читати зі стрічки всі записи. Ще гірше працювати з нею при виправленні помилок або зміні даних.

Магнітний диск є найдосконалішим пристроєм зовнішньої пам’яті. Запис інформації на нього здійснюється на доріжках, що мають форму концентричних кіл. Таких доріжок може бути багато. Крім них, на диску можна виділити ще й сектори. Це дає можливість точно адресувати записану інформацію і швидко знаходити її серед інших записів. Крім того, швидкодія запису-зчитування з магнітних дисків у сотні разів вища, ніж із магнітних стрічок. Компактність запису на дисках не йде ні в яке порівняння з компактністю її на стрічках. Так, обсяг інформації на диску діаметром близько 10 см може перевищувати 600 Мбайт. Крім дисків, використовують також дискети, виготовлені з покритої магнітним матеріалом фольги, розміщеної в пластиковому конверті.

Останнім часом широко впроваджуються в практику лазерні компакт-диски, які спочатку розроблялись для високоякісного запису звуку. Завдяки малим розмірам і великій ємності вони знайшли застосування у постійній зовнішній пам’яті (СD-ROМ). Наявність приводу СD-RОМ на комп’ютері дає можливість не тільки використовувати диски з програмами, а й одержувати записані тексти і слухати музику.

Інформація на компакт-диск записується лазерним променем, що утворює на його поверхні западини (глибина 0,11 мкм, довжина 0,833...3,054мкм), розділені плоскими ділянками. Западини світло не відбивають, а плоскі ділянки — відбивають (поверхня диска з алюмінію). Для зчитування інформації використовують лазерний діод, сервомотор, оптичну систему та фотодетектор. Доріжки компакт-диска мають вигляд не концентричних кіл, а неперервної спіралі, що йде від зовнішнього діаметра до внутрішнього. Тому для забезпечення постійної лінійної швидкості компакт-диск обертається із змінною кутовою швидкістю.

Допоміжні апаратні засоби комп’ютера. Основний комплект апаратних засобів комп’ютера доповнюють допоміжні мікросхеми, серед яких провідну роль відіграють різноманітні контролери (процесори-контролери), тактовий генератор, таймер, буфери адрес та даних тощо. Вони можуть бути виконані у вигляді як окремих мікросхем, так і наборів їх (у мікросхемах системних та периферійних контролерів).

Для введення в оперативну внутрішню пам’ять комп’ютера необхідної інформації, а також виведення результатів його роботи використовуються різні периферійні пристрої, керовані спеціальними процесорами-контролерами. Інформація може вводитись у ручному режимі або автоматично у вигляді тексту, зображень, звуку від різноманітних датчиків фізичних величин безпосередньо чи по каналах зв’язку, які об’єднують комп’ютери в мережі. Один із периферійних пристроїв — зовнішню пам ять — уже розглянуто. Для безпосереднього спілкування користувача з комп’ютером застосовується консоль або термінал у складі клавіатури і дисплея (монітора). До великих комп’ютерів можуть бути приєднані кілька терміналів.

Клавіатура використовується для ручного введення текстової інформації та керування комп’ютером з боку оператора (користувача). Клавіатура має клавіші, об’єднані в групи за функціональними ознаками, електронний захист і деякі додаткові пристрої. При натисненні на кожну клавішу генеруються електричні імпульси, що подаються на відповідні входи комп’ютера.

Монітори можуть бути електровакуумні або на рідких кристалах, монохромні чи кольорові, мати більшу або меншу кількість елементів розкладання зображень (пікселів), тільки текстове чи текстове та графічне виведення інформації. Для того щоб на моніторі одержати графіку, потрібні спеціальні електронні пристрої, які називаються графічними картами. Існує досить розвинена система графічних карт і моніторів. Зображена на моніторі інформація має тимчасовий характер. Для здобуття постійної копії інформації використовують друкувальні та малювальні на папері периферійні пристрої — принтери і плотери.

Принтери призначені для виведення з комп’ютера текстової інформації. За принципами дії та конструкцією вони бувають точково-матричні, струминні й лазерні. Останні забезпечують якість друкованого тексту, що не поступається друкарській. За допомогою принтерів можна виводити з комп’ютера також графічну інформацію, але її якість буде невисока. Тому застосовують спеціальні малювальні пристрої — плотери, які дають можливість відтворювати будь-які малюнки в кольорі з використанням різноманітних ліній. Плотери бувають плоскими або барабанними. Останні потребують спеціального паперу, оскільки мають більшу швидкодію.

Інформацію в оперативну внутрішню пам’ять сучасних комп’ютерів можна вводити не тільки з клавіатури або з зовнішньої пам’яті, а й безпосередньо з паперу: рукописну, надруковану, накреслену тощо. Для цього застосовують сканери. Крім сканерів, користуючись якими можна ввести в комп’ютер усе зображення, використовують також такі пристрої, за допомогою яких оператор може вибрати для введення окремі фрагменти зображення. Такі пристрої називаються дигітайзерами.

Крім того, для введення зображень у комп’ютер застосовують цифрові перетворювачі зображень, які дають змогу зчитувати зображення безпосередньо з камери або стрічки відеомагнітофона. Такі перетворювачі використовують у сенсорних системах промислових роботів, системах медичної діагностики, комп’ютерах, призначених для охорони об’єктів, тощо. В усіх цих пристроях зображення методом електричного сканування розкладається на окремі елементи розгортанням в часі приблизно так, як це здійснюється в телевізійній знімальній камері, а потім – перетворюється на цифрову форму і вже у вигляді електричних імпульсів двійковим кодом записується в оперативну внутрішню пам’ять комп’ютера.

Крім стандартних пристроїв уведення-виведення інформації через спеціальні комутаційні канали (порти), до комп’ютера можна підключити додаткові пристрої, наприклад аналого-цифрові та цифро аналогові перетворювачі. Вони застосовуються в системах комп’ютерного керування для введення в комп’ютер сигналів від датчиків фізичних величин і передачі керувальних сигналів у прилади та механізми. Керування цими пристроями виконується за спеціальними програмами, які називаються драйверами. Кожному типу периферійних пристроїв відповідає свій драйвер.

Інформація в комп’ютер може надходити по лініях зв’язку, в тому числі телефонним. Проте телефонні комунікації розраховано на передачу інформації в звуковій, а не в цифровій формі. Тому для з’єднання комп’ютерів телекомунікаційними лініями потрібні спеціальні пристрої, в яких на передавальному кінці цифровий код перетворювався б на звуковий сигнал (модуляція), а на приймальному, навпаки, звуковий сигнал — на цифровий код (демодуляція). Такі пристрої називаються модемами.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Оброблення цифрової інформації	\|	Комп’ютерні мережі

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.007 сек.