Виды технического обеспечения компьютеров. Структура компьютера. Структура процессора. Запоминающие устройства. Периферийные устройств

- Сканер – устройство  для считывания графической и  текстовой информации в компьютер.  Сканеры могут вводит в компьютер  рисунки. С помощью специального  программного обеспечения компьютер  может распознать символы во  введенной через сканер картинке, это позволяет быстро вводить  напечатанный(а иногда и рукописный) текст в компьютер. Сканеры  бывают настольные (они обрабатывают  весь лист бумаги целиком) и  ручные (ими надо проводить над  нужными картинками или текстом), черно-белые и цветные (воспринимающие  цвета). Сканеры различаются друг  от друга разрешающей способностью, количеством воспринимаемых цветов  или оттенков серого цвета.  При систематическом использовании  (например в издательских системах) необходим настольный сканер, хотя  он дороже. Для подготовки цветных  изданий требуется, естественно,  цветной сканер;

- Аудиоплата дает возможность  исполнять музыку и воспроизводить  звуки с помощью компьютера. Вместе  с аудиоплатой обычно поставляются  звуковые колонки, а часто и  микрофон. Аудиоплата представляет  средства записи, воспроизведения  и редактирования музыки и  речевых сообщений.

Многие программы, в особенности  игровые, используют аудиоплаты для  вывода музыкального сопровождения, звуковых, в том числе речевых, эффектов; 

а также другие устройства.

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

В настоящее время разрабатываются  все более новые и совершенные  периферийные устройства.

Структура процессора

Процессор - это функциональный блок вычислительного устройства, предназначенный  для реализации обработки цифровых данных и управления ходом этой обработки. Указанные действия выполняются  процессором по командам, которые  он автоматически считывает из памяти вычислителя.

В обобщенном виде функционирование процессора может быть представлено как циклическое чередование  двух этапов – (1) выборки (чтения) команд из памяти и их дешифрации, и (2) выполнения команд.

Выборка (чтение) команд является автоматическим процессом, происходящим под воздействием импульсов от генератора тактовых импульсов (ГТИ), и не зависит  от программиста в смысле механизма  реализации, который жестко определяется аппаратной структурой процессора.

Дешифрация команды представляет собой процесс формирования последовательности управляющих сигналов для всех узлов  процессора и других блоков вычислителя  на основе информации (т.е. кода), содержащегося  в команде.

Действия, выполняемые в  соответствии с командой, могут представлять собой арифметическую или логическую обработку данных, пересылку данных, формирование адреса следующей команды  или изменение режимов работы процессора. В любом случае эти  действия определяются программистом  в рамках имеющейся в его распоряжении системы команд конкретного процессора. После выполнения действий, задаваемых командой, процессор автоматически  переходит к выборке следующей  команды из памяти.

Современные микропроцессоры  существенно различаются набором  функциональных блоков и связями  между ними. Тем не менее, в структуре  любого процессора можно выделить основные элементы, определяющие специфику процессора как управляющего центра вычислителя. Прежде всего, речь идет о двух блоках: устройстве управления и операционном устройстве.

Устройство управления (УУ) предназначено для реализации выборки  команд, их дешифрации, и на основе этого  – для управления обменом и  обработкой информации путем генерации  последовательности управляющих сигналов.

Операционное устройство (ОУ) служит для обработки цифровой информации (арифметические и логические операции, сдвиги, анализ чисел и  т.п.).

Основным элементом для  хранения информации внутри процессора являются регистры, которые выполняют  функцию сверхоперативного ОЗУ  с минимальным временем записи и  считывания.

Регистр команд РгК (англ. IR - insructionregister) используется для фиксации кода команды после считывания ее из памяти. Как правило, в этом регистре фиксируется лишь код операции (КОП) - часть кода команды, определяющая выполняемое действие и способ адресации операндов (см. ниже).

Регистры операндов служат для хранения данных в процессе их обработки, позволяют избегать постоянных обращений к памяти. В современных  процессорах количество регистров  операндов может достигать 10-15 штук. По сути, они образуют внутреннюю память процессора. В однокристальных микроконтроллерах  количество регистров операндов  доведено до нескольких десятков, и  применительно к ним вводится понятие регистрового файла. Некоторые  из регистров операндов могут  использоваться также для хранения или формирования адресов других операндов, т.е. на их основе реализуется  механизм косвенной адресации данных в памяти (см. ниже). Данные, размещенные  в регистрах операндов, поступают  на обработку в арифметико-логическое устройство (АЛУ). В некоторых типах  процессоров один из регистров операндов  всегда является и приемником результата операции в АЛУ – такой регистр  принято называть регистром-аккумулятором  Процессоры, в которых принята  схема выполнения операций в виде:

<аккумулятор> (операция) <операнд> Þ <аккумулятор>,

называются процессорами с аккумуляторно-ориентированной  структурой.

Счетчик команд (англ. PC - programmingcounter) - регистр, в котором при выборке  или выполнении текущей команды  формируется адрес следующей  команды. Модификация содержимого  регистра PC – это средство управления последовательностью выборки команд из памяти и, следовательно, управления ходом вычислительного процесса (т.е. реализация ветвлений в алгоритмах).

Указатель стека (англ. SP - stackpointer ) - регистр, в котором при выполнении программы хранится адрес границы  той области памяти, для которой  программист использует принцип  последовательного доступа к  данным (так называемый протокол работы со стеком).

Регистр адреса - регистр, в  котором формируется адрес любого устройства, внешнего по отношению  к процессору (ячейки памяти или  порта ввода-вывода), перед обращением к этому устройству. Данный регистр  необходим, поскольку источником адресной информации могут являться различные  регистры процессора. При этом регистр  адреса играет роль накапливающего буфера, из которого адресная информация выдается на внешнюю шину адреса.

Регистр признаков (англ. F - flags) - это элемент внутренней памяти, в котором в виде отдельных  битов фиксируются признаки, характеризующие  результат операции, выполненной  в АЛУ (нулевой результат, переполнение разрядной сетки и т.п.).

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - функциональный блок процессора, предназначенный для реализации действий по обработке данных.

Результат операции, выполненной  в АЛУ, заносится в один из регистров  или пересылается в память (в зависимости  от команды). В регистре признаков  автоматически формируются признаки, характеризующие этот результат.

Функционирование процессора всегда синхронизируется от внешнего генератора тактовых импульсов (ГТИ). Именно под влиянием импульсов от ГТИ  устройство управления процессора автоматически  реализует действия, связанные с  выборкой команд из памяти и их дешифрацией.

Выполнение команды всегда занимает некоторое количество периодов тактовой частоты и состоит из последовательности элементарных действий процессора (выборка команды, чтение операнда, вычисление в АЛУ). Эти элементарные действия называют машинными циклами (МЦ). В течение каждого МЦ происходит генерация строго определенной комбинации управляющих сигналов для соответствующих узлов процессора и всей вычислительной системы.

Запоминающие  устройства

Запоминающие устройства - блок вычислительной машины или самостоятельное  устройство, предназначенное для  записи, хранения и воспроизведения  информации. Наибольшее распространение  ЗУ получили в цифровых вычислительных машинах (ЦВМ), а также в устройствах автоматики, телемеханики, ядерной физики и т.д. для хранения главным образом дискретной информации, для временного согласования работы нескольких объектов или накопления данных, подлежащих передаче по каналам телемеханики. Фиксация информации в ЗУ основана на различных физических принципах: механическое перемещение или удаление части материала носителя информации (перфорационные ленты, перфокарты), изменение магнитного состояния материала (магнитные ленты, диски, барабаны, ферритовые сердечники), накопление электростатического заряда в диэлектриках (конденсаторные ЗУ, запоминающие электроннолучевые трубки), использование звуковых и ультразвуковых колебаний (линии задержки), применение явления сверхпроводимости (Криогенные элементы) и др. Основными показателями ЗУ, определяющими их эффективность, являются: ёмкость М (максимальное количество слов или знаков, которые можно одновременно разместить в ЗУ), выражаемая в двоичных единицах (битах) или в байтах (8 бит); быстродействие, характеризуемое временем полного цикла обращения к ЗУ Тц (иногда временем выборки) или частотой обращения.

        Иногда  для характеристики ЗУ пользуются  обобщающим параметром — информационной  мощностью W = М•F (в лучших современных  ЗУ она достигает 1013 байт/сек).

         В зависимости от назначения, способов размещения информации  и особенностей функционирования  ЗУ, как правило, классифицируют  в соответствии со схемой, представленной  на рис. 1. По способу поиска  нужной информации различают  адресные ЗУ, в которых каждой  ячейке памяти присваивается  определённый номер (адрес) и  требуемая информация ищется  по конкретному адресу, и ассоциативные  запоминающие устройства (См. Ассоциативное  запоминающее устройство), в которых  информация отыскивается по совокупности  признаков. В ЗУ возможно как  последовательное, так и циклическое  обращение (доступ) к ячейкам либо  произвольный доступ, когда обращение  к любой ячейке осуществляется  независимо от её расположения  среди других ячеек.

         В зависимости от кратности  записи ЗУ делятся на нестирающиеся,  допускающие однократную запись  с последующим многократным считыванием  без регенерации (например, диодные  матрицы (См. Диодная матрица), перфорационные  карты, перфорационные ленты), и  стирающиеся (ЗУ на магнитных  носителях, ферритовых сердечниках,  электронных триггерах и др.).

         Статическими называются такие  ЗУ, в которых состояния носителя, соответствующие записанному коду, неподвижны относительно носителя  информации. К статическим относятся  и все ЗУ с неразрушающим  считыванием. В динамических ЗУ  последовательность сигналов, соответствующая  фиксируемому коду, циркулирует  по замкнутому контуру, включающему линию задержки. Статические ЗУ могут быть устойчивыми, в которых информация сохраняется неограниченно долго (например, ЗУ на триггерах, ферритовых сердечниках), и неустойчивыми, обладающими свойством самопроизвольного стирания информации (конденсаторные ЗУ, запоминающие электроннолучевые трубки).

         Для хранения больших массивов  информации чаще всего применяют  т. н. внешние ЗУ с записью  на магнитных носителях: магнитные  ленты, барабаны, диски. Путём  параллельного подключения нескольких  блоков ЗУ можно хранить теоретически  неограниченные объёмы информации. Ёмкость современных внешних  ЗУ на магнитных лентах достигает  108 байт (с подключением до 256 блоков), на магнитных дисках — до 6-108 байт; скорость ввода (вывода) 3,2-105 байт/сек для ЗУ на магнитных  лентах и 2-106 байт/сек для ЗУ  на магнитных дисках.

   В ЦВМ для хранения  данных, необходимых на ближайших  этапах решения задачи, служат  оперативные ЗУ, которые, как правило,  строятся на тороидальных ферритовых  сердечниках (до 95% всех оперативных  ЗУ), реже — на др. ферромагнитных  элементах (например, многоотверстных  ферритовых пластинах, магнитных  тонких плёнках (См. Магнитная  тонкая плёнка) и др.). Весьма перспективными  считаются интегральные полупроводниковые  ЗУ. Ёмкость оперативных ЗУ в  современных крупных ЦВМ достигает  16-106 байт; время записи и считывания (выборки) составляет от сотых  долей мксек до нескольких  мксек.

   В больших ЦВМ  в отдельный блок часто выделяют  буферное ЗУ, выполняющее функции  промежуточного звена при обмене  информацией между устройствами  с различным быстродействием  (например, между оперативным и  внешним ЗУ), а иногда и сверхоперативное  ЗУ небольшой ёмкости (порядка  нескольких сотен байт). Сверхоперативные  ЗУ выполняются на запоминающих  элементах повышенного быстродействия (например, тонких магнитных плёнках,  туннельных диодах, триггерах). Для  хранения данных, состав которых  в процессе обработки определённого  типа информации или решения  одного класса задач не меняется (например, табличные данные, стандартные  подпрограммы, неизменные программы  управляющих вычислительных машин), применяют постоянные запоминающие  устройства.