Состав, структура, назначение вычислительных систем

Занятие 2

Состав, структура, назначение вычислительных систем

Содержание учебного материала:

• Состав, структура, назначение вычислительных систем: персональный компьютер, большие ЭВМ и супер-ЭВМ, сетевое оборудование, периферийные устройства.

2. Конфигурация персональных компьютеров.

3. Магистрально-модульный принцип построения компьютера

Структура и принципы функционирования ЭВМ I и II поколения

Электронная вычислительная машина (ЭВМ), или компьютер - это совокупность технических и программных средств, предназначенных для автоматизации процессов приёма, хранения, обработки и передачи информации.

Принципы функционирования ЗВМ (принцип Неймана 1945г.):

• программное управление
• однородность памяти (данные и программы хранятся в памяти)
• адресность (ячейки памяти нумеруются)

Процессор

Устройство

ВнешнееЗУ

АЛУ

вывода

Оперативное

ЗУ

УУ

Устройство ввода

Назначение основных блоков ЭВМ

АЛУ - выполняет арифметические и логические операции, решает задачи.

ЗУ - запоминающее устройство - хранит

• исходные данные,
• промежуточные и окончательные результаты решения задач
• программу решения задачи

ОЗУ -оперативное ЗУ - быстродействующее и взвимодействует с АЛУ

ВЗУ - внешнее ЗУ - для хранения данных временно не использующихся в вычислительном процессе

УУ - организует процесс решения задачи и синхронизирует работу всех устройств

Устройство ввода - вводит исходные данные и программы

Устройство вывода - выводит результаты решения задач

Определение некоторых понятий

Ячейка памяти - электронная схема для запоминания информации в битах, представленными разрядами и определяющими разрядность ячейки.

Разряд ячейки - устройство в виде триггера, имеющее два устойчивых состояния 0 и 1.

Регистр - ячейка памяти с очень большим быстродействием - используется для промежуточного храненя данных или для счётчика

Сумматор используется для временного накапливания и хранения данных, полученных в результате выполнения операций АЛУ

Программа - набор команд, понятных компьютеру, выполнение которых позволяет решить конкретную задачу за конечное число шагов.

Команда - это машинный код, хранящий код операции, адрес первого операнда (числа), адрес второго операнда, адрес результата

Схема решения задач в ЭВМ

Выполнение программы разбивается на следующие этапы :

• из ячейки памяти выбирается команда (при этом содержимое счётчика команд увеличивается); команда передаётся в УУ (в регистр команд);
• УУ процессора расшифровывает адрес команды;
• по сигналам УУ операнды выбираются из памяти в АЛУ;
• УУ расшифровывает код операции и выдаёт сигнал арифметико-логическому устройству выполнить операцию;
• результат операции остаётся в процессоре, либо возвращается в оперативную память ОЗУ.

Оперативная память

Процессор

Программа

счетчик команд

Устройство

управления

регистр команд

регистры операндов

Арифметико-

логическое

устройство

сумматор

Структура функционирования ЭВМ, начиная с III поколения

Процессор

ОЗУ

Адрес ............

Шины ( магистраль): Данные . .........

Управление....

Контроллер

Контроллер

Контроллер

Устройство

Устройство

ВЗУ

ввода

вывода

Принципы функционирования ЭВМ, начиная с III поколения

В основе построения компьютера лежат два важных принципа: магистрально-модульный принцип и принцип открытой архитектуры .

М агистрально-модульный принцип - предполагает, что все части и устройства изготавливаются в виде отдельных блоков, информация между которыми передаётся по комплекту соединений, объединённых в магистраль (шину). При этом вид компьютера может быть представлен определённой схемой.

Открытая архитектура – предполагает возможность сборки компьютера из независимо изготовленных частей, доступную всем желающим (подобно детскому конструктору)

Определение некоторых понятий

Контроллер (адаптер) - схема управления внешними устройствами (имеют специальную программу работы с внешними устройствами, поэтому процессор освобождён от управления внешними устройствами).

Шина данных - по ней данные передаются от устройства к устройству в любом направлении, т. е. шина данных является двунаправленной.. ( Упрощенно шины можно представить как группу кабелей и токопроводящих линий на системной плате)

Шина адреса - по ней передаются адреса того устройства (или той ячейки памяти), к которому обращается процессор. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).

Шина управления - по ней передаются сигналы чтения, записи, готовности, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Когда периферийное (внешнее) устройство «хочет обратиться» к процессору, оно устанавливает на этой линии специальный сигнал прерывания, заметив который, процессор прерывает выполняемые в этот момент действия и обращается (командой чтения или записи) к устройству.

Основные характеристики ЭВМ

• Скорость выполнения операций (быстродействие) - определяется тактовой частотой.Эта характеристика определяет производительность .
• Разрядность машины и шин интерфейса
• Ёмкость запоминающих устройств

Определение некоторых понятий по характеристике ЭВМ

Производительность ПК– Определяется быстродействием процессора, объёмом ОП и скоростью доступа к ней.Производительность процессора– количество элементарных операций выполняемых за 1 секунду.

Тактовая частота процессора (частота синхронизации )- число вырабатываемых за секунду импульсов, синхронизирующих работу узлов компьютера. Такт – промежуток времени (микросекунды) за который выполняется элементарная операция (сложение). 

Разрядность процессора  – кол-во разрядов двоичного кода, который может обрабатываться и передаваться процессором целиком. Основа - специальные ячейки памяти – регистры. Высокопроизводительные компьютеры имеют 8-байтовые регистры (64 разряда)

Время доступа - это период времени, необходимый для считывания min порции информации из ячеек памяти или записи в память.

Вычислительные системы

Термин вычислительная система появился в начале — середине 60-х гг. 20 века при создании ЭВМ третьего поколения.

Это время знаменовалось переходом на новую элементную базу — интегральные схемы.

И как следствие появились новые технические решения:

• разделение процессов обработки информации и ее ввода-вывода,
• множественный доступ и коллективное использование вычислительных ресурсов в пространстве и во времени.

Появились сложные режимы работы ЭВМ — многопользовательская и многопрограммная обработка.

Вычислительные системы

Характеристика

Главное отличие

вычислительных систем от классической структуры ЭВМ

заключается

в возможности построения параллельных ветвей в вычислениях.

Вычислительные системы

Определение.

Вычислительная система - это совокупность

• взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров (или ЭВМ),
• периферийного оборудования ,
• программного обеспечения ,

предназначенную для сбора, хранения, обработки и распределения информации.

Классификация ЭВМ

Супер ЭВМ – совокупность более тысячи параллельно работающих процессоров - сверхбыстродействующие - для решения глобальных задач..

Большие универсальные ЭВМ - вычислительные системы, обеспечивающие совместную деятельность работников в рамках одной организации.

Серверы – для обслуживания локальных и глобальных компьютерных сетей (имеют один или несколько процессоров). 

Промышленные ЭВМ  – встраиваются в промышленное оборудование, имеют универсальные процессоры, но специальзированное программное обеспечение.

Персональные ЭВМ для обеспечения работы одного пользователя.

ПерсональныеЭВМ

Персональные компьютеры

Стационарные

Переносные

имеют:

• меньший объём, вес
• автономное питание
• монитор и клавиатура в одном корпусе.

Сейчас более 80% пользователей работают с переносными ПК

Базовая комплектация стационарных ПК:

• системный блок,
• клавиатура,
• монитор,
• мышь

Переносные ПК

• Ноутбук (сравним по функциональным возможностям со стационарными ПК (ОС, ЖК дисплеи), вес до 3,5кг)
• Планшетный (сенсорный экран, функциональные возможности приближены к ноутбукам, вес до 2кг)
• Карманный (полноправные ПК, лёгкие - наладонные, вес до 300г)
• Коммуникаторы - смартфоны (сотовые телефоны с компьютерными возможностями и сетевыми функциями)
• Электронные секретари (для организации справочников, имеет встроенные графические и текстовые редакторы, электронные таблицы, вес до 0,5кг)
• Электронные записные книжки (для записи и редактирования документов, адресов, телефонов и т.д. Есть сигнал для напоминания о встрече, вес до 200г)

Персональный компьютер

Базовая конфигурация ПК - минимальный комплект аппаратный средств, достаточный для начала работы с компьютером.

• Системный блок;

• Монитор;
• Клавиатура;
• Мышь.

Общая схема компьютера

Системный блок

• Системный блок – основной блок компьютерной системы. В нем располагаются устройства, считающиеся внутренними . Устройства, подключающиеся к системному блоку снаружи, считаются внешними - периферийными .

Материнскую плату еще часто называют системной платой. Это основа компьютера. Именно эта плата определяет, какого типа процессор можно использовать, какой максимальный размер оперативной памяти можно будет установить и т. д.Все платы расширения (видеокарта, контроллер SCSI, модем, сетевая карта и т. д.) крепятся к материнской плате. Кроме того, на материнской плате находятся микросхемы, управляющие всем, что есть в компьютере

Системный блок состоит из :

1. корпуса;

2. материнской платы;

3. процессора;

4. оперативной памяти;

5. жесткого диска;

6. накопителя флоппи-дисков;

7. накопителя компакт-

(или DVD) дисков;

8. видеокарты;

9. звуковой карты

Системный блок - материнская плата

Процессор

( CPU )

Системная

шина (FSB)

Шина памяти

Северный

AGP

Мост-

(Accelerated

Graphic Port)

контроллер

оперативной

памяти

Память

( RAM )

Монитор

Hub

Interface

Сканер,

Принтер,

Web-камера,

Цифровая камера,

и фотоаппарат

Внешний HDD

Звуковая карта,

Сетевая карта,

Модем (внутренний)

PCI

USB

Южный

Мост-

контроллер

периферийных

устройств

Жесткие диски,

CD-ROM,

DVD-ROM

COM

UDMA

Мышь

Клавиатура

Модем (внешний)

LPT

PS/2

Клавиатура

Принтер

Периферийные устройства

Периферийные (внешние) устройства персонального компьютера подключаются к его интерфейсам и предназначены для выполнения вспомогательных операций. Благодаря этим устройствам компьютерная система приобретает гибкость и универсальность

По назначению периферийные устройства можно подразделить на:

• устройства ввода данных - клавиатура, сканеры, дигитайзеры, цифровые фотокамеры, световой карандаш;
• устройства вывода данных - монитор, колонки, принтеры, плоттеры;
• устройства командного управления - мышь;
• устройства (сопряжения) хранения и обмена данными - zip-накопители, модемы, стримеры.

В вод знаковых данных

Клавиатура   — клавишное устройство управления персональным компьютером. Служит для ввода алфавитно-цифровых (знаковых) данных, а также команд управления.

Виды : проводная и беспроводная.

Комбинация монитора и клавиатуры обеспечивает простейший  интерфейс пользователя

В вод знаковых данных

Беспроводные клавиатуры:

• Стандартная беспроводная,
• Бесконтактная (управляется магнитным полем и излучением)
• Оптоэлектронная (похожи на магнитные переключатели)
• Сенсорная
• Со сменными кнопочными раскладками
• С раскладкой для разных игр
• С раскладкой для Adobe Photoshop

Ввод графической информации

Сканеры :

• Планшетные
• Ручные
• Барабанные
• Фотосканеры
• Штрих-сканеры
• Сканеры форм

Ввод графической информации

Дигитайзеры - планшетный и большой.

Дигитайзер (Digitizer) — устройство для оцифровки чертежей и других изображений. Дигитайзер позволяет преобразовать изображения в цифровую форму для обработки в компьютере.

Планшетный дигитайзер. Позволяет оцифровывать и вносить в компьютер рукописный текст и рисунки

Ввод графической информации

Большой дигитайзер.

Предназначен для оцифровки больших чертежей. Оцифровка чертежей производится при помощи манипулятора, напоминающего мышку, но имеющего большее количество кнопок. Нажатием кнопок фиксируется положение основных элементов чертежа, затем чертеж достраивается при помощи специальной программы

Ввод графической информации

Фотокамеры

Цифровой фотоаппарат — это фотоаппарат, который записывает изображение не на фотопленку, а на приемный экран - иконоскоп.

После съемки фотокамера присоединяется к компьютеру и кадры в виде файлов переписываются в компьютер.

Разрешение изображения до 2700х2050 точек и выше

Ввод графической информации

Световой карандаш

Световой карандаш — это устройство, напоминающее обычную авторучку с проводом. На конце ручки находится светоприемник, который может регистрировать изменение яркости точек экрана.

Световым пером можно указывать на элементы экрана и управлять ими. Например , можно рисовать. Аналог светового пера — световой пистолет применяется в игровых приставках.

Устройства вывода данных

Монитор – устройство для визуального воспроизведения символьной и графической информации.

Его основными потребительскими параметрами являются:

• размер (14-21дюйм) и шаг маски экрана (
• максимальная частота регенерации изображения (75гц-100гц),
• класс защиты (ГСО-95-99).

Устройства вывода данных

Устройства вывода данных

Принтеры – для вывода информации на бумажный носитель.

Типы принтеров:

• матричный
• струйный
• лазерный
• фотопринтер

Файл с изображением подается в фотопринтер из компьютера или напрямую, из карты флеш-памяти. Для карт флеш-памяти в принтерах есть соответствующие порты, например на изображенном слева фотопринтере HP Photosmart 7550 справа вверху можно видеть порты для флеш-карт и карту, вставленную в один из четырех портов.

Устройства вывода данных

Плоттер или графопостроитель — устройство для вывода различных чертежей, географических карт, плакатов и других изображений на бумагу большого формата.

Офисные плоттеры:

Большие промышленные

плоттеры:

Устройства командного управления

Мышь — устройство управления манипуляторного типа. Представляет собой плоскую коробочку с двумя-тремя кнопками.

Перемещение мыши по плоской поверхности синхронизировано с перемещением графического объекта (указателя мыши) на экране монитора.

Кроме обычной мыши существуют и другие типы манипуляторов:

• трекболы (с шариком - не нуждается в гладкой рабочей поверхности),
• пенмаусы (аналог шариковой авторучки, на конце узел, регистрирующий величину перемещения),
• инфракрасные мыши (беспроводная связь с системным блоком),
• для игр манипуляторы рычажно-нажимного типа (джойстики, джой-пады, геймпады и штурвально-педальные устройства)

Устройства хранения и обмена данными

zip-накопители - внешние устройства для хранения данных.

Модем  - устройство, предназначенное для обмена информацией между удаленными компьютерами по каналам связи, принято называть модемом (МОдулятор + ДЕМодулятор). При этом под каналом связи понимают физические линии (проводные, оптоволоконные, кабельные, радиочастотные), способ их использования (коммутируемые и выделенные) и способ передачи данных (цифровые или аналоговые сигналы). В зависимости от типа канала связи устройства приема-передачи подразделяют на радиомодемы, кабельные модемы и прочие.,

Стримеры - запись на магнитную ленту для архивирования информации с жесткого диска

Устройства обмена данными - сетевое оборудование

Сетево́е обору́дование — устройства, необходимые для работы компьютерной сети. Активное сетевое оборудование не только улавливает и передает сигнал, но и обрабатывает эту техническую информацию, перенаправляя и распределяя поступающие потоки в соответствии со встроенными в память устройства алгоритмами, это:

сетевой адаптер — плата, которая устанавливается в компьютер и обеспечивает его подсоединение к ЛВС;

концентратор (активный хаб ) — для объединения пользователей в сеть;

маршрутизатор ( роутер ) — используется для объединения нескольких рабочих групп ЛВС и разбира на сетевые (IP) адреса;

ретранслятор - для создания беспроводной сети.

медиаконвертер — для преобразования среды передачи данных (коаксиал-витая пара, витая пара-оптоволокно);

сетевой трансивер — для преобразования интерфейса передачи данных (RS232-V35, AUI-UTP).

модем  - устройство, предназначенное для обмена информацией между удаленными компьютерами

Сетевое оборудование при подключении к Интернету

спутниковый или оптоволоконный канал связи с сервером Интернета

провайдер

роутер

хаб

модем

ADSL-модем

телефонная станция

выделенная линия

разделитель частот (сплиттер)

ADSL-модем

dial-up

модем

ADSL

Подключение устройств к системному блоку

– питание;

– клавиатура;

– мышь;

– принтер, Flash-память, внешний HDD, web-камера и цифровая видеокамера, цифровой фотоаппарат, диктофон и др. устройства;

– сетевой кабель для выхода в Интернет;

– колонки, наушники, микрофон (к встроенной звуковой карте и дополнительной звуковой карте),

– монитор.

1

2

1

3

4

3

2

5

5

4

6

6

7

6

7

Схема

построения компьютера

Внешний

Дисковод

Дисковод

Дисковод

для жёстких дисков

жесткий диск

для гибких дисков

для компакт-дисков

Постоянная

(BIOS)

Оперативная

Flash-память

Основная память

Внешняя память

шина данных

шина адреса

шина управления

Системная шина

Процессор

Сетевая

карта

Монитор

Клавиатура

Манипуляторы

Сканер

Графопостроитель

Принтер

Устройства ввода/вывода

Модем

Вопросы для закрепления материала

• Что понимается под структурой компьютера?
• Какие основные части можно выделить в структуре ПК?
• Каково назначение процессора?
• Для чего служит ОЗУ?
• Что обеспечивает передачу данных между основными устройствами компьютера?
• Какие типы и сигналы передачи данных обеспечивает СШ?