Главная
Яшин Владимир
Информатика: аппаратные средства персонального компьютера
Читать онлайн бесплатно

Информатика: аппаратные средства персонального компьютера Яшин Владимир

Рис. 4.1. Таблица истинности для логической функции F = A v В v С

Таблицу истинности можно составить для любой логической функции, например, на рис. 4.2 приведена таблица истинности логической функции F = A B C (эквиваленции).

Логические функции имеют соответствующие названия. Для двух двоичных переменных существует шестнадцать логических функций, названия которых приведены ниже. На рис. 4.3 представлена таблица, в которой приведены логические функции F₁, F₂, F₃, … , F₁₆ двух логических переменных A и В.

Функция F₁ = 0 и называется функцией константы нуля, или генератора нуля.

Рис. 4.2. Таблица истинности для логической функции F = A B C

Рис. 4.3. Логические функции F₁, F₂, F₃,… F₁₆ двух аргументов А и В

Функция F₂ = A & B называется функцией конъюнкции.

Функция

называется функцией запрета по логической переменной А.

Функция F₄ = А называется функцией повторения по логической переменной А.

Функция

называется функцией запрета по логической переменной В.

Функция F₆ = В называется функцией повторения по логической переменной В.

Функция

называется функцией исключающее «ИЛИ».

Функция F₈ = A v В называется функцией дизъюнкции.

Функция

называется функцией Пирса.

Функция

называется функцией эквиваленции.

Функция

называется функцией отрицания (инверсии) по логической переменной В.

Функция F₁₂ = B A называется функцией импликации B A.

Функция

называется функцией отрицания (инверсии) по логической переменной А.

Функция F₁₄ = A B называется функцией импликации A B.

Функция

называется функцией Шеффера.

Функция F₁₆ = 1 называется функцией генератора 1.

Среди перечисленных выше логических функций переменных можно выделить несколько логических функций, с помощью которых можно выразить другие логические функции. Операцию замены одной логической функции другой в алгебре логики называют операцией суперпозиции или методом суперпозиции. Например, функцию Шеффера можно выразить при помощи логических функций дизъюнкции и отрицания, используя закон де Моргана:

Логические функции, с помощью которых можно выразить другие логические функции методом суперпозиции, называются базовыми логическими функциями. Такой набор базовых логических функций называется функционально полным набором логических функций. На практике наиболее широко в качестве такого набора используют три логических функции: конъюнкцию, дизъюнкцию и отрицание. Если логическая функция представлена с помощью базовых функций, то такая форма представления называется нормальной. В предыдущем примере логическая функция Шеффера, выраженная через базовые функции, представлена в нормальной форме.

При помощи набора базовых функций и соответствующих им технических устройств, реализующих эти логические функции, можно разработать и создать любое логическое устройство или систему.

В настоящее время существует достаточно много программных продуктов, с помощью которых можно реализовать различные логические функции и форму их представления, например в виде таблиц истинности. Логические функции широко используются и в программе MS Excel. Для вызова этих функций необходимо выполнить следующие команды: [Кнопка Пуск – Программы – MS Office ХР – Microsoft Excel] и далее команду: [Вставка – Функция]. В открывшемся окне (рис. 4.4) «Мастер функций – шаг 1 из 2», выберем: «Категория: „Логические“ и далее можно выбрать необходимую логическую функцию: ЕСЛИ, И, ИЛИ, ИСТИНА, ЛОЖЬ, НЕ. В этом же окне можно получить справку по каждой из этих функций.

Рис. 4.4. Диалоговое окно «Мастер функций – шаг 1 из 2»

Как видно из рис. 4.4, в состав логических функций программы MS Excel входит функционально полный набор логических функций, состоящий из следующих логических функций: И (конъюнкция), ИЛИ (дизъюнкция), НЕ (отрицание). Таким образом, с помощью функционально полного набора логических функций программы MS Excel можно реализовать другие функции. Логическая функция ЕСЛИ (импликация), также входящая в логические функции MS Excel, выполняет логическую проверку и в зависимости от результата проверки выполняет одно из двух возможных действий. В данной программе она имеет следующий формат: = ЕСЛИ (арг1;арг2;арг3), где арг1 – логическое условие; арг2 – возвращаемое значение при условии, что значение аргумента арг1 выполняется (ИСТИНА); арг3 – возвращаемое значение при условии, что значение аргумента арг1 не выполняется (ЛОЖЬ). Например, если в произвольную ячейку листа программы MS Excel ввести выражение « = ЕСЛИ (А1 = 5; „пять“; „не пять“)», то при вводе числа 5 в ячейку А1 и нажатии клавиши «Enter» в ячейке А1 автоматически будет записано слово «пять», при вводе любого другого числа в ячейку А1 в ней запишется слово «не пять». Как уже отмечалось, с помощью логических функций программы MS Excel можно представить другие логические функции и соответствующие им таблицы истинности.

Реализуем с помощью логических функций ЕСЛИ и И модифицированную таблицу истинности логической функции F = А & В (конъюнкции), состоящую из двух строк и трех столбцов, которая позволяет при изменении значений (0 или 1) логических переменных А и В автоматически устанавливать, например, в ячейке Е6 значение функции F = А & В, соответствующее значениям этих логических переменных. Для этого в ячейку Е6 введем следующее выражение: «=ЕСЛИ(И(С6;D6);1;0)», тогда при вводе в ячейки С6 и D6 значений 0 или 1 в ячейке Е6 будет выполняться логическая функция F = А & В. Результат этих действий представлен на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Реализация модифицированной таблицы истинности логической функции F = A & В

4.4. Логические элементы и синтез логических схем

Сложные цифровые логические устройства, входящие в состав компьютера, состоят из ряда элементарных логических элементов, построенных на базе средств электронной техники. При производстве этих электронных логических элементов используют различне технологии и схемотехнические решения, такие как: ДТЛ (диодно-транзисторная логика), ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика), ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика), технологии, основанные на использовании полевых транзисторов, и т. д. Логические элементы позволяют реализовать любую логическую функцию. Входные и выходные сигналы логических элементов, соответствующие двум логическим состояниям 1 и 0, могут иметь один из двух установленных уровней электрического напряжения, который зависит от схемотехнического решения логического элемента. Например, для логических элементов, основанных на технологии ТТЛ, высокий уровень электрического напряжения (2,4 5 В) соответствует значению логической единицы (истина), а низкий уровень (0 0,4 В) – логическому нулю (ложь).

Три приведенных ниже логических элемента составляют функционально полную систему для проектирования цифровых логических устройств, в том числе и соответствующих логических блоков и устройств компьютера, поскольку реализуют функционально полный набор логических функций, состоящий из логических функций: И (конъюнкции), ИЛИ (дизъюнкции), НЕ (отрицания).

1. Логический элемент НЕ, который называется также инвертором, выполняет логическую операцию отрицания (инверсии).

2. Логический элемент И, называемый также конъюнктором, выполняет операцию логического умножения (конъюнкции), теоретически может иметь бесконечное число входов, на практике ограничиваются числом входов от двух до восьми.

3. Логический элемент ИЛИ, называемый также дизъюнктором, выполняет операцию логического сложения (дизъюнкции), теоретически может иметь бесконечное число входов, на практике ограничиваются числом входов от двух до восьми.

При проектировании цифровых логических устройств часто возникает задача по заданной таблице истинности записать выражение для логической функции и реализовать ее в виде логической схемы, состоящей из функционально полного набора логических элементов. Данную задачу называют также задачей синтеза логических схем или логических устройств.

Синтез логических схем на основе функционально полного набора логических элементов состоит из представления логических функций, описывающих данные логические схемы в нормальных формах. Нормальной формой представления считается форма, полученная посредством суперпозиций вспомогательных логических функций – минтермов и макстернов.

Минтермом называют логическую функцию, которая принимает значение логической единицы только при одном значении логических переменных и значение логического нуля при других значениях логических переменных. Например, минтермами являются логические функции F₂, F₃, F₅ и F₉ (см. рис. 4.3).

Макстерном называют логическую функцию, которая принимает значение логического нуля только при одном значении логических переменных и значение логической единицы при других значениях логических переменных. Например, макстернами являются логические функции F₈, F₁₂, F₁₄ и F₁₅ (см. рис. 4.3).

Из минтермов и макстернов методом суперпозиции можно составить логические функции, которые называются соответственно логической функцией, представленной посредством совершенных дизъюнктивных нормальных форм (СДНФ), и логической функцией, представленной посредством совершенных конъюнктивных нормальных форм (СКНФ). Полученные таким образом функции СДНФ и СКНФ будут представлять искомую логическую функцию по заданной таблице истинности. После получения функций СДНФ и СКНФ их необходимо преобразовать (минимизировать). Преобразование данных функций с целью их минимизации осуществляется с помощью законов алгебры логики и специальных разработанных методов: метод Квайна, карты Карно, диаграммы Вейча и т. д.

Рассмотрим задачу синтеза на примере модифицированной таблицы истинности, приведенной на рис. 4.6. Для данной таблицы истинности необходимо записать выражение для выходной функции F, провести ее преобразование (минимизацию) на основе законов алгебры логики и, используя основные логические элементы – НЕ, И и ИЛИ, разработать логическую схему реализации выходной функции F.

Рис. 4.6. Таблица истинности логических переменных A, В и С

Значения логических переменных А, В и С и соответствующие значения функции F приведены в таблице истинности (см. рис. 4.6), где в столбце № – указан номер комбинации логических переменных A, В и С.

Для решения указанной задачи представим логическую функцию F в виде СДНФ, а затем и в СКНФ. Найдем вспомогательные функции минтермы и макстермы. В заданной таблице истинности выходная функция F принимает логическое значение, равное логической единице, при комбинациях логических переменных A, В и С, указанных под номерами 3, 6, 8, а значение, равное логическому нулю – при комбинациях, указанных под номерами 1, 2, 4, 5,7.

Минтермы запишем в следующем виде:

Минтермы представляют собой логические произведения (конъюнкции) логических переменных А, В, и С при значениях логической функции F, равных логической единице (комбинации 3, 6, 8). Сомножители (логические переменные A, В и С) входят в минтерм в прямом виде (без отрицания), если их значения равны логической единице, и в инверсном (с отрицанием), если их значения равны логическому нулю. Логическая функция F в СДНФ будет равна логической сумме минтермов:

После минимизации логической функции Fc использованием законов алгебры логики получим ее искомое выражение:

Макстермы запишем в следующем виде:

Макстермы представляют собой логические суммы (дизъюнкции) логических переменных А, В, и С при значениях логической функции F, равных логическому нулю (комбинации 1, 2, 4, 5, 7). Слагаемые (логические переменные A, В, и С) входят в макстерм в прямом виде (без отрицания), если их значения равны логическому нулю, и в инверсном (с отрицанием), если их значения равны логической единице. Логическая функция F в СКНФ будет равна логическому произведению макстермов:

Поскольку полученное выражение для F в виде СКНФ является более громоздким по сравнению с представлением F в виде СДНФ, то в качестве окончательного выражения для F примем ее выражение в виде СДНФ, т. е.

Аналогичным образом можно получить выражение для любой логической функции, которая представлена с помощью заданной таблицы истинности с Означениями логических переменных.

Используем полученное выражение логической функции F для разработки (построения) логической схемы на основе функционально полного набора логических элементов НЕ, И и ИЛИ. При построении логической схемы необходимо учитывать установленные в алгебре логики правила (приоритеты) для выполнения логических операций, которые в данном случае реализуются с помощью логических элементов НЕ, И и ИЛИ. Порядок производимых логических операций будет следующий: операция инверсии (отрицания), операция логического умножения (конъюнкции) и затем операция логического сложения (дизъюнкции). Реализация функции F в виде логической схемы, приведена на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Реализация функции F в виде логической схемы

Для графического отображения логических схем существуют различные компьютерные программы, называемые графическими редакторами. Данные программы могут быть включены в другие компьютерные программы, например в программах Microsoft Word и Microsoft Excel такие редакторы реализованы с помощью панелей инструментов «Рисование», или быть самостоятельными программами, например Paint, Microsoft Visio и т. д. Воспользуемся встроенным графическим редактором (панель«Рисование») программы MS Excel для графического отображения логической схемы функции F. Данная логическая схема показана на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Графическое отображение логической функции F с помощью программы MS Excel

На основе функционально полного набора логических элементов построены различные электронные устройства, входящие в состав компьютера. К таким устройствам относятся сумматоры (выполняющие операции сложения двоичных чисел), триггеры (устройства, имеющие два устойчивых состояния: логического нуля и логической единицы и используемые в качестве двоичных элементов памяти), регистры памяти (состоящие из набора триггеров), двоичные счетчики, селекторы (переключатели сигналов), шифраторы, дешифраторы и т. д.

Рассмотренные выше таблицы истинности логических элементов показывают установившиеся значения логических переменных. Однако когда логические переменные представлены в виде электрических сигналов, то необходимо некоторое время для того, чтобы значение логической функции достигло уровня установившегося состояния из-за внутренних задержек по времени в электронных логических элементах. В среднем задержка электрического сигнала такого элемента составляет 10^-9 с. В компьютере двоичные сигналы проходят через множество электронных схем, и задержка по времени может стать значительной. В этом случае выделяется отрезок времени (такт) на каждый шаг логической операции. Если операция заканчивается раньше, чем заканчивается тактовое время, то устройство, входящее в состав компьютера, ожидает ее окончания. В результате скорость выполнения операций несколько снижается, но достигается высокая надежность, так как обеспечивается синхронизация между многими параллельно выполняющимися операциями в компьютере. Синхронизация устройств в компьютере обеспечивается с помощью специального генератора – генератора тактовой частоты, который вырабатывает электрические импульсы стабильной частоты.

Упражнения для самостоятельного выполнения

1. Выполнить поразрядное логическое сложение и умножение двоичных чисел:

а) 101 и 110; б) 10101 и 11100; в) 110011 и 111100.

2. Преобразовать следующие логические выражения:

3. Доказать, что число логических функций двух логических переменных равно 16.

4. Реализовать модифицированные таблицы истинности логических схем НЕ, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ (см. рис. 4.5), используя программу MS Excel.

5. Составить таблицы истинности для следующих логических функций:

6. Записать выражения для логических функций F₁ и F₂ в виде СДНФ и СКНФ. Логические функции F₁ и F₂ представлены далее соответственно таблицами истинности.

7. По заданному преподавателем варианту таблицы N составить таблицу истинности логической функции F, используя таблицу М. Найти выражение для логической функции F, осуществить ее преобразование в соответствии с основными законами алгебры логики и разработать логическую схему полученной функции с использованием логических схем НЕ, И, ИЛИ. Для графического отображения разработанной логической схемы использовать любой графический редактор.

Таблица М

Таблица N

Глава 5
Структурная организация и аппаратные средства персонального компьютера

5.1. Классификация компьютеров

Прежде чем рассмотреть вопрос о классификации компьютеров, остановимся на ряде определений. Обработка информации является важной составляющей информационного процесса. Под обработкой информации будем понимать действия, совершаемые над информацией, представленной в формализованном виде, т. е. в виде структур данных, с помощью определенных алгоритмов – последовательности действий, осуществляемых по определенным правилам и реализуемых с помощью технических средств. Результатом обработки является тоже информация, которая удовлетворяет поставленным целям (например, обработка числовой, текстовой, графической и другой информации) и может быть представлена в соответствующих формах. Попытки автоматизировать процесс обработки информации и вычислений на основе открытий в области математики, физики, химии и т. д. в течение нескольких столетий привели к созданию современного компьютера (от англ. computer, что дословно переводится как вычислитель) или электронно-вычислительная машина (ЭВМ – русское название, которое в настоящее время по ряду причин используется достаточно редко). В современных информационных технологиях компьютер используется в качестве основного технического средства для обработки информации.

Таким образом, компьютером называется техническая система, предназначенная для автоматизации процесса обработки информации и вычислений на основе принципа программного управления. В данном определении используется термин «техническая система», который подчеркивает взаимосвязь аппаратных и программных средств компьютера.

Аппаратные средства представляет собой совокупность технических устройств, обеспечивающих процесс функционирования компьютера. Аппаратные средства часто называют хардом, устоявшимся сленгом в русском языке (от англ. hardware).

Программные средства представляют собой совокупность программ, обеспечивающих процесс обработки информации на компьютере. Программные средства часто называют сленговым словом «софт» (от англ. software).

Как уже отмечалось, в основе любой классификации лежит рациональный выбор признаков, по которым рассматриваемый объект или явление можно разделить на группы или классы. Основной целью классификации является формирование групп или классов с характерными свойствами, присущими только этой группе или классу, что позволяет более детально изучить эти свойства и проследить динамику их изменения во времени. В настоящее время классификация компьютеров не закреплена соответствующими стандартами, что объясняется высокими темпами развития компьютерной техники и информационных технологий. Приблизительно каждые два года происходит замена аппаратных и программных средств компьютера новыми, причем общемировая тенденция направлена на сокращение этих сроков. В этой связи любая классификация компьютеров является условной, поскольку некоторые свойства, которые были характерными для определенных групп (классов) компьютеров в прошлом, утрачивают эти свойства со временем. Принципиально может быть бесконечно много классификационных признаков. Выделим наиболее существенные признаки и проведем по ним классификацию. Условная классификация компьютеров по этим признакам приведена в табл. 5.1.

Таблица 5.1

По времени создания компьютеры подразделяют на поколения (первое, второе, третье и четвертое), которые характеризуются степенью развития аппаратных и программных средств.

Компьютеры первого поколения относятся к середине 40-х и концу 50-х гг. XX в. (1946 г. был создан первый цифровой электронный компьютер ENIAC). В качестве элементной базы использовались электронные лампы, программирование осуществлялось в машинных кодах. Программа вводилась в компьютер путем соединения соответствующих гнезд на специальных наборных платах с помощью электрических проводников. Максимальное быстродействие достигало 20 тыс. операций в секунду.

Компьютеры второго поколения относятся к концу 50-х и середине 60-х гг. XX в. В качестве элементной базы использовались полупроводниковые приборы – транзисторы, что позволило повысить надежность и быстродействие компьютеров. Программирование осуществлялось на языках программирования высокого уровня. Программа вводилась в компьютер с помощью перфокарт и перфолент. Максимальное быстродействие составляло до 1 млн операций в секунду.

Компьютеры третьего поколения относятся к периоду с середины 60-х по середину 70-х гг. XX в. В качестве элементной базы использовались интегральные микросхемы среднего уровня интеграции. Программирование осуществлялось на языках программирования высокого уровня. Программа вводилась в компьютер с помощью перфокарт и перфолент, появились накопители информации на гибких магнитных дисках. Максимальное быстродействие составляло около 1 млн операций в секунду. Компьютеры третьего поколения стали семейством компьютеров с единой архитектурой, что обеспечило их программную совместимость. Они имели развитые операционные системы и обладали возможностями мультипрограммирования.

Компьютеры четвертого поколения относятся к периоду с середины 70-х гг. XX в. по настоящее время. В качестве элементной базы использовались большие интегральные микросхемы (БИС), а затем (в настоящее время) сверхбольшие интегральные микросхемы (СБИС), что позволило существенно повысить надежность и быстродействие компьютеров. На основе БИС, а затем и СБИС строились и строятся микропроцессоры – устройства для непосредственного выполнения процесса обработки данных и программного управления этим процессом. Программирование осуществлялось и осуществляется на нескольких десятках языков программирования высокого уровня, включая и объектно-ориентированные языки программирования. Программы вводились и вводятся в компьютер с помощью разнообразных носителей информации – накопителей на гибких магнитных дисках, жестких магнитных дисков, оптических дисков и т. д. Максимальное быстродействие компьютеров четвертого поколения составляет около 1 трлн операций в секунду.

По форме представления обрабатываемой информации компьютеры подразделяются на три класса: цифровые, аналоговые и гибридные.

Цифровые компьютеры обрабатывают информацию, представленную в цифровой форме (в двоичной системе счисления), и являются самым представительным классом современных компьютеров. Цифровые компьютеры используются для решения самых разнообразных задач, поддающихся формализации, для которых разработаны соответствующие численные методы решений.

Аналоговые компьютеры обрабатывают информацию, представленную в аналоговой форме, т. е. в виде непрерывно меняющихся значений физической величины (электрического напряжения или тока). Аналоговые компьютеры используются для решения физических и математических задач, содержащих дифференциальные уравнения. Кроме того, они используются в системах автоматического регулирования для решения задач в режиме реального времени.

Гибридные компьютеры обрабатывают информацию, представленную в цифровой и аналоговой форме. В таких компьютерах цифровая часть предназначена для управления и выполнения логических операций, а аналоговая – для решения математических уравнений.

По назначению компьютеры подразделяются на три класса: профессиональные, персональные и специализированные.

Профессиональные компьютеры предназначены для обработки больших объемов информации с высокой скоростью. По аппаратному и программному обеспечению они значительно превосходят другие классы.

Персональные компьютеры предназначены для обработки информации на одном автоматизированном рабочем месте (АРМ), при этом их вычислительных ресурсов должно быть достаточно для поддержки такого рабочего места. Кроме того, они должны быть доступны по цене для массового потребителя.

Специализированные компьютеры предназначены для обработки информации, связанной с решением узкоспециализированных задач (вычислительных и управляющих). Они не обладают универсальностью, т. е. ориентированы на конкретные практические задачи. Специализированные компьютеры, называемые также контроллерами, встраиваются в системы автоматического управления сложными техническими устройствами или технологическими процессами.

По степени универсальности компьютеры подразделяются на два класса: общего назначения и специализированные.

Компьютеры общего назначения являются универсальными и позволяют обрабатывать информацию, связанную с решением широкого круга задач.

Специализированные компьютеры позволяют обрабатывать информацию, связанную с решением узкопрофессиональных задач.

По способам использования компьютеры подразделяются на два класса: коллективного и индивидуального использования.

Компьютеры коллективного использования предназначены для обслуживания одновременной работы нескольких пользователей. Такие компьютеры, называемые также серверами, используются и для организации работы компьютерных сетей.

Компьютеры индивидуального использования предназначены для обслуживания работы индивидуального пользователя.

По производительности компьютеры подразделяются на три класса: ординарной, высокой и сверхвысокой производительности.

Производительность компьютера является сложной интегральной характеристикой, под которой обычно понимается время, затрачиваемое на решение определенной задачи. Производительность зависит от специфики решаемой задачи, быстродействия компьютера, информационного объема его оперативной памяти и т. д. Быстродействие (скорость обработки информации) компьютера в свою очередь определяется быстродействием микропроцессора, системной магистрали (служит для обмена информацией между функциональными блоками компьютера), периферийных устройств, качеством конструктивных решений и т. д. Поэтому оценить производительность компьютера и тем более классов компьютеров достаточно сложно. На практике производительность компьютера оценивают по некоторым параметрам, определяющим его производительность, т. е. осуществляют косвенную оценку его производительности. К таким параметрам относят: тактовую частоту микропроцессора, скорость переключения системной шины и ее разрядность, тип используемого интерфейса, число команд, выполняемых в секунду, число операций, выполняемых компьютером над числами с плавающей запятой, в секунду и т. д. Выделим некоторые из этих параметров, которые позволяют наиболее просто произвести косвенную оценку производительности компьютера.

Тактовая частота микропроцессора определяет количество элементарных операций (операции, производимые логическими элементами), выполняемых микропроцессором в секунду. При этом под тактом понимается время выполнения элементарной операции. Например, если в техническихарактеристиках компьютера указана тактовая частота микропроцессора, равная 2,4 ГГц, то это означает, что его тактовая частота в герцах будет равна 2,4 ГГц = 2,4 · 1000 МГц = 2,4 · 1000 · 1000 КГц = 2,4 · 1000 · 1000 · 1000 Гц и он может выполнить 2400000000 элементарных операций в секунду.

Число команд, выполняемых в секунду, обычно обозначается аббревиатурой MIPS (Mega Instruction Per Second), что означает количество миллионов команд, выполняемых в секунду. Например, запись 100 MIPS означает 100 млн команд в секунду.

Число операций, выполняемых компьютером над числами с плавающей запятой, в секунду обозначается аббревиатурой MFLOPS (Mega Floating Operations Per Second) или GFLOPS (Giga Floating Operations Per Second), что соответственно означает количество миллионов и миллиардов операций в секунду.

Компьютеры ординарной производительности называют также микрокомпьютерами. К ним можно отнести персональные и специализированные компьютеры. Их условная производительность достигает значений до 10 MFLOPS.

Компьютеры высокой производительности называют также мэйнфреймами. К ним можно отнести профессиональные компьютеры, у которых условная производительность достигает значений до 100 MFLOPS.

Компьютеры сверхвысокой производительности называют также суперкомпьютерами. К ним можно отнести профессиональные компьютеры, у которых условная производительность достигает значений свыше 100 MFLOPS.

По особенности архитектуры компьютеры подразделяются на два класса: с открытой архитектурой и закрытой архитектурой

Под архитектурой компьютера понимается совокупность аппаратных и программных средств, организованных в систему, обеспечивающую функционирование компьютера.

Открытая архитектура была предложена американской фирмой DEC (Digital Equipment Corporation) в 70-х гг. XX в., а затем была успешно использована при разработке персонального компьютера фирмой IBM (International Business Machines Corporation), который и появился в 1981 г.

К особенностям открытой архитектуры относятся:

• модульный принцип построения компьютера, в соответствии с которым все его компоненты выполнены в виде законченных конструкций – модулей, имеющих стандартные размеры и стандартные средства сопряжения;

• наличие общей (системной) информационной шины, к которой можно подключать различные дополнительные устройства через соответствующие разъемные соединения;

• совместимость новых аппаратных и программных средств с их предыдущими версиями, основанная на принципе «сверху – вниз», что означает, что последующие версии должны поддерживать предыдущие.

Подавляющее число современных компьютеров имеют открытую архитектуру.

Закрытая архитектура не обладает характерными чертами открытой архитектуры и не позволяет обеспечить подключение дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком. Компьютеры, имеющие такую архитектуру, эффективны при решении узкоспециализированных задач, например вычислительных.

Условную классификацию компьютеров, приведенную в табл. 5.1, можно продолжить. Например, по организации вычислительных процессов компьютеры можно подразделить на четыре класса: без разделения ресурсов, с разделением ресурсов, многопользовательские с разделением ресурсов и мультипроцессорные; по режиму взаимодействия с пользователем компьютеры можно разделить на два класса: без взаимодействия с пользователем и интерактивные; по способу выполнения обработки информации компьютеры можно разделить на два класса: скалярные (последовательная обработка информации) и векторные (параллельная обработка информации); по совместимости аппаратных средств компьютеры можно разделить на два класса: компьютеры, имеющие аппаратную платформу IBM PC и аппаратную платформу Apple Macintosh и т. д.

Однако, поскольку предметом настоящего рассмотрения является в основном персональный компьютер (PersonalComputer – PC), то сделаем выводы по приведенной классификации применительно к персональному компьютеру. Согласно классификации современный персональный компьютер относится к четвертому поколению, является цифровым, общего назначения, индивидуального использования, ординарной производительности и имеет открытую архитектуру. Для персонального компьютера можно выделить классификационные признаки второго уровня, к которым отнесем функциональные возможности и конструктивные особенности. В соответствии с действующим с 1999 г. международным сертификационным стандартом в области персональных компьютеров (спецификация РС99) по функциональным возможностям персональные компьютеры (ПК) можно подразделить на следующие группы: массовые ПК (Consumer PC), деловые ПК (Office PC), портативные ПК (Mobile PC), ПК, используемые в качестве рабочих станций (Workstation PC), и ПК для развлечений (Entertainment PC).

Массовые компьютеры представляют значительную часть ПК и предназначены для широкого круга потребителей и решения соответствующих задач.

Деловые ПК широко используются в государственных учреждениях, фирмах и т. д. и имеют конфигурацию, соответствующую целям и задачам тех мест, где они используются.

Портативные ПК приобретают в настоящее время все большую популярность, поскольку позволяют работать пользователям не только в стационарно оборудованных рабочих местах и оснащаются средствами мобильной связи для подключения к сетевым ресурсам и, в частности, к глобальной сети Интернет.

ПК, используемые в качестве рабочих станций, предназначены для организации компьютерных сетей, в которых они выполняют функции клиентов или рабочих станций.

Развлекательные ПК оснащаются мощными мультимедийными средствами для воспроизведения высококачественного звука и графики.

По конструктивным особенностям ПК можно подразделяются на две группы: стационарные и переносные.

Стационарные ПК предназначены для организации автоматизированного рабочего места в офисе, учебном компьютерном классе и т. д.

Переносные или мобильные ПК подразделяются на следующие группы: портативные (Laptop), блокнотные (Notebook), суперблокнотные (Subnotebook), карманные, или наладонники (Palmtop).

Портативные ПК по своим техническим характеристикам и аппаратным возможностям приближаются к стационарным ПК, но имеют меньшие габаритные размеры и массу (4 8 кг).

Дальнейшее развитие основного направления, связанного с конструированием средств электронной техники – микроминиатюризацией (при меньших габаритах получить те же характеристики), привело к созданию блокнотных, суперблокнотных и карманных ПК, которые по своим характеристикам и функциональным возможностям почти не уступают стационарным ПК. Основное отличие состоит в удобстве работы пользователя, габаритных размерах и массе.

5.2. Структура и аппаратные средства современного персонального компьютера

5.2.1. Структурная организация персонального компьютера

Современные компьютеры массового применения – персональные компьютеры имеют достаточно сложную структуру, которая определяет взаимосвязь между аппаратными средствами в технической системе, называемой компьютером. В процессе эволюции аппаратных и программных средств изменялась и структура персонального компьютера, однако без изменений остались пока основные принципы его структурной организации, сформулированные выдающимся математиком, профессором Принстонского университета США Джоном фон Нейманом (1903–1957) и его коллегами в 1946 г.

Сущность этих принципов сводится к следующему:

• информация представляется (кодируется) и обрабатывается (выполняются вычислительные и логические операции) в двоичной системе счисления, информация разбивается на отдельные машинные слова, каждое из которых обрабатывается в компьютере как единое целое;

• машинные слова, представляющие данные (числа) и команды (определяют наименование задаваемых операций), различаются по способу использования, но не по способу кодирования;

• машинные слова размещаются и хранятся в ячейках памяти компьютера под своими номерами, называемыми адресами слов;

• последовательность команд (алгоритм) определяет наименование производимых операций и слова (операнды), над которыми производятся эти операции, при этом алгоритм, представленный в форме операторов машинных команд, называется программой;

• порядок выполнения команд однозначно задается программой.

Компьютерное представление информации в двоичной системе счисления (двоичном коде) упрощает и повышает надежность аппаратных средств компьютера, поскольку реализовать технические устройства с двумя устойчивыми состояниями, равными логической единице и нулю, гораздо проще, чем при использовании других систем счисления.

В соответствии с данными принципами Дж. фон Нейманом и его коллегами была реализована структура компьютера, которая в настоящее время носит название классической (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Классическая структура компьютера

В состав компьютера, приведенного на рис. 5.1 входят следующие структурные элементы и связи:

• АЛУ (арифметико-логическое устройство) – выполняет арифметические и логические операции над информацией, представленной в двоичном коде, т. е. обеспечивает выполнение процедур по обработке данных;

• УУ (устройство управления) – организует процесс выполнения программ;

• ЗУ (запоминающее устройство) – предназначено для размещения и хранения последовательности команд (программ) и данных;

• УВВ (устройства ввода-вывода) – обеспечивают ввод и вывод данных из компьютера для усановления прямой и обратной связи между пользователем и компьютером;

• внутренние связи предназначены для обмена информацией между устройствами компьютера, они реализуются с помощью линий связей (электрических проводников), тонкими стрелками показаны линии, по которым передаются команды, а толстыми – данные.

Кратко опишем работу данного компьютера.

С помощью какого-либо устройства ввода в ЗУ вводится программа. УУ считывает содержимое ячейки памяти ЗУ, где находится первая команда, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических и логических операций над данными с помощью АЛУ, чтение из памяти данных для выполнения этих операций, вывод данных на устройство вывода и т. д. Затем выполняется вторая команда, третья и т. д. УУ выполняет инструкции программы автоматически.

Структура современных персональных компьютеров отличается от классической структуры компьютера. Перечислим ниже основные отличия (особенности) :

1) АЛУ и УУ объединены в единое устройство, называемое микропроцессором (МП, центральный процессор, реализованный на СБИС), кроме того, в состав МП входит ряд других устройств, предназначенных для хранения, записи, считывания и обмена информацией;

2) применение специализированных устройств – контроллеров, которым передается часть функций МП, связанная с обменом информации и управлением работой устройств для ввода и вывода (внешних устройств) информации, такая децентрализация позволяет повысить эффективность работы компьютера в целом за счет сокращения времени простоя МП;

3) вместо отдельных линий связи между устройствами используется системная магистраль с соответствующими устройствами сопряжения. Наличие системной магистрали в персональном компьютере позволяет осуществить обмен информацией между устройствами компьютера, уменьшить число линий связи, подключить различные дополнительные устройства через соответствующие разъемные соединения и т. д.

Таким образом, с учетом перечисленных особенностей персональный компьютер отвечает принципам открытой архитектуры, и его структура, в которую вошли основные устройства, приобретает вид, показанный на рис. 5.2. Данная структура была предложена фирмой IBM, поэтому персональные компьютеры, имеющие такую структуру, называются IBM – совместимые (IBM PC).

Рис. 5.2. Структура персонального компьютера:

МП – микропроцессор; ПП – постоянная память; ОП – оперативная память: ВК – видеоконтроллер; ПИ – последовательный интерфейс; И – интерфейсы других внешних устройств; К – контроллер; ЗК – звуковой контроллер: ИП – параллельный интерфейс; СА – сетевой адаптер; НГМД – накопитель на гибких магнитных дисках; НЖМД – накопитель на жестких магнитных дисках; НОД – накопитель на оптических дисках; НМЛ – накопитель на магнитной ленте; ПУ – печатающее устройство; БП – блок питания и УО – устройства охлаждения.

На рис. 5.2 обоюдоострыми стрелками показаны шины, по которым обмен информацией между устройствами происходит в обоих направлениях.

Основные устройства, входящие в структуру стационарного персонального компьютера, группируют в блоки и устройства, которые имеют конструктивно законченный вид. Эти блоки определяют состав персонального компьютера и определяют меру полезности компьютера для пользователя.

В состав стационарного персонального компьютера входят:

• системный блок;

• внешние устройства.

В переносных, или мобильных, персональных компьютерах, как правило, системный блок и основная часть внешних устройств (клавиатура, монитор, мышь и т. д.) конструктивно представляют собой единое устройство.

К основным компонентам системного блока относятся: микропроцессор (МП), системная магистраль, устройства постоянной (ПП) и оперативной памяти (ОП), видеоконтроллер (ВК), звуковой контроллер (ЗК), контроллеры (К), устройства последовательного (ПИ), параллельного (ИП) и интерфейса (И) других внешних устройств, накопители на гибких (НГМД), жестких (НЖМД) и оптических дисках (НОД), накопитель на магнитной ленте (НМЛ), сетевой адаптер (СА), модем (встроенный), блок питания (БП) и устройства охлаждения (УО).

Указанные устройства устанавливаются в корпус системного блока на соответствующие посадочные места, конструктивные размеры которого стандартизированы и имеет форм-фактор AT и АТХ [4]. Кроме того, корпус системного блока имеет обычно один из двух вариантов исполнения: настольный горизонтального типа (desktop) и настольный вертикального типа (tower). Соответственно вариант вертикального исполнения может иметь несколько модификаций: MiniTower, MidiTower, BigTower, SuperBigTower и File-Server [4]. Отличаются они друг от друга числом отсеков для установки устройств формата 3,5 и 5 дюймов. В корпусе системного блока размещаются также блок питания и устройства охлаждения. Блок питания обеспечивает электропитание всех устройств системного блока и ряда внешних устройств и подключается к промышленной сети переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц. В переносных персональных компьютерах электропитание обеспечивается за счет выносного блока питания, подключаемого к сети или к аккумуляторам, который обеспечивает автономную работу в течение 1,5–4 часов. В системном блоке размещены и устройства охлаждения, поскольку отдельные компоненты могут сильно нагреваться: блок питания, микропроцессор, видеоконтроллер (видеоадаптер) и т. д. В качестве охлаждающих устройств используются в основном радиаторы и вентиляторы (кулеры).

Таким образом, в системном блоке стационарного персонального компьютера размещаются основные компоненты, обеспечивающие выполнение компьютерных программ на аппаратном уровне.

Внешние устройства (по отношению к системному блоку) по функциональному назначению можно представить в виде нескольких групп: устройства ввода и вывода информации, устройства, выполняющие одновременно функции ввода и вывода информации, внешние запоминающие устройства.

К устройствам ввода информации относятся клавиатура, координатные устройства ввода (манипуляторы типа мышь, трекбол, контактная или сенсорная панель, джойстик), сканер, цифровые камеры (видеокамеры и фотоаппараты), микрофон.

К устройствам вывода информации относятся монитор, печатающие устройства (ПУ, принтер и графопостроитель), звуковые колонки и наушники.

К устройствам, выполняющим функции ввода и вывода информации относятся сетевой адаптер, модем (модулятор – демодулятор), звуковая плата.

К внешним запоминающим устройствам относятся: внешние накопители на гибких и жестких магнитных дисках, внешние накопители на оптических и магнитооптических дисках, накопители на основе флэш-памяти и т. д.

5.2.2. Аппаратные средства персонального компьютера

5.2.2.1. Основные компоненты системного блока

Рассмотрим более подробно основные компоненты системного блока.

Часть компонентов системного блока конструктивно располагается на системной или материнской плате (motherboard или mainboard). Плата представляет собой конструктивный узел, на котором размещаются микросхемы устройств, и обеспечивается их необходимое электрическое соединение между собой. Системная плата имеет разъемы для электрического соединения с другими платами компьютера. Таким образом, системная плата является важнейшим конструктивным узлом системного блока, связывающим основные его компоненты и обеспечивающим их взаимодействие. От основных характеристик элементов, установленных на системной плате, зависят производительность персонального компьютера и его функциональные возможности. Системная плата является комплектующим изделием, т. е. производится и поставляется различными фирмами, которые при ее разработке ориентируются на определенный вид микропроцессора. Среди наиболее крупных производителей системных плат в настоящее время можно выделить компании Intel (Integrated Electronics, США), SiS (Silicon Integrated Systems Corporation, США) и VIA Technologies (Тайвань).

На системной плате устанавливаются: микропроцессор, набор микросхем системной логики, модули (устройства) постоянной и оперативной памяти, разъемы для установки и подключения микропроцессора, модулей памяти, внешних запоминающих устройств, источника питания и т. д., кроме того, на материнской плате имеется система шин, обеспечивающая обмен информацией между элементами установленных на системную плату. На рис. 5.3 приведен внешний вид одной из моделей (Intel 845GE) системной платы фирмы Intel.

Рис. 5.3. Внешний вид системной платы фирмы Intel (Intel 845GE)

В настоящее время общепризнанным лидером по разработке и производству системных плат является компания Intel, поэтому терминология, связанная с этими изделиями, является англоязычной. Для правильной оценки конкретной продукции этой компании желательно знать эту терминологию. На рис. 5.4 приведена упрощенная функциональная схема системной платы современного персонального компьютера с обозначенем отдельных ее элементов на английском языке:

Рис. 5.4. Функциональная схема системной платы персонального компьютера

• CPU (Central Processing Unit) – микропроцессор (МП);

• Host Bus – шина микропроцессора;

• Chipset – набор микросхем, установленных на системной плате для обеспечения обмена данными между CPU и периферийными устройствами. Chipset определяет функциональные возможности материнской платы: тип и объем оперативной и кэш-памяти, тактовую частоту системной шины, поддерживаемые шины и т. д.;

• NORTH BRIDGE (северный мост) – микросхема системного контроллера, или Memory Controller Hub (центр управления памятью);

• SOUTH BRIDGE (южный мост) – микросхема контроллера ввода-вывода или I/O Controller Hub (центр управления вводом-выводом);

• Main Memory – микросхемы главной (оперативной) памяти, которые в данном случае представляют собой микросхемы быстродействующей динамической памяти с произвольным доступом RDRAM (Rambus Dynamic Random Access Memory);

• Direct RDRAM Interface – интерфейс прямого доступа к памяти;

• Graphics Controller – контроллер управления графическими устройствами;

• PCI Bus (Peripheral Component Interconnect Bus) – системная шина, предназначенная для обмена информацией между микропроцессором и другими (внешними) устройствами;

• PCI Slots – разъемы для подключения внешних устройств;

• IDE (Integrated Device Electronics) Ports – порты (разъемы) для подключения внешних накопителей информации;

• USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) Ports – порты (разъемы) для подключения низкоскоростных внешних устройств;

• Hub Interface – интерфейс обмена информацией между микросхемами системного контроллера и контроллера ввода-вывода, входящих в состав чипсета;

• Flash BIOS (Basic Input Output System) – микросхема постоянной памяти, представляет собой энергонезависимую память с возможностью перезаписи информации непосредственно на системной плате;

• LAN (local Area Network) Connect – разъем для подключения к локальной сети;

• Keyboard – клавиатура;

• FD (Floppy Disk) – накопитель на гибких магнитных дисках;

• Mouse – мышь.

Рассмотрим основные элементы системной платы.

Микропроцессор (МП) – важнейшее устройство персонального компьютера, отвечающего за процессы управления и выполнения арифметических и логических операций над данными представляет собой функционально законченное программно-управляемое устройство. Современные микропроцессоры реализованы на сверхбольших интегральных схемах (СБИС). От основныхарактеристик МП в значительной степени зависит эффективность использования персонального компьютера в целом.

Своим происхождением слово «микропроцессор» обязано микроэлектронной технике и технике автоматического регулирования и управления процессами. В России наибольшее распространение получили МП двух компаний – Intel и AMD (Advanced Micro Devices). В процессе развития МП компании Intel сменилось несколько поколений, которые можно рассматривать как семейство микропроцессоров Intel. Каждое поколение МП характеризуется соответствующим уровнем схемотехнических и технологических решений, положенных в основу их производства. Эти решения определяли и определяют основные характеристики МП. В табл. 5.2 приведены поколения МП Intel и некоторые ихарактеристики.