ТЕМА 2.2. Функціональна схема комп’ютера.

Основні пристрої комп’ютера та їх функції

· основні пристрої комп’ютера, їх функціональне призначення

· загальна схема роботи комп’ютера

· функціональне призначення внутрішньої та зовнішньої пам’яті комп’ютера

Основні терміни теми: процесор, внутрішня, зовнішня, віртуальна пам’ять, пристрої введення та виведення, шина даних.

Не зважаючи на велику різноманітність обчислювальної техніки та її незвичайно швидке вдосконалення, фундаментальні принципи будови обчислювальних машин залишаються незмінними. Зокрема, починаючи з самих перших поколінь, будь-яка ЕОМ складається з наступних основних пристроїв: процесор, пам’ять (внутрішня та зовнішня) та пристрої введення та виведення інформації. Розглянемо більш детально призначення кожного із них.

Процесор є головним пристроєм комп’ютера, у якому власне і відбувається забезпечення узгодженої дії всіх вузлів, що входять у склад комп’ютера. Відповідно найбільш важливими частинами процесора є арифметично-логічний пристрій (АЛП) та пристрій керування.

Кожен процесор може виконувати певний визначений набір універсальних інструкцій, що часто називаються машинними командами. Набір цих команд обмежений, визначається будовою конкретного процесора і основному аналогічний для різних процесорів. Робота ЕОМ полягає у виконанні послідовності таких команд, підготовлених у вигляді програми. Процесор здатен організувати читання чергової команди, її аналіз та виконання, а також при необхідності приймати дані чи відправляти результати їх обробки на потрібний пристрій. Вибирати, яку інструкцію програми виконати наступною також повинен сам процесор, причому результат цього вибору часто може залежати від опрацьовуваної на даний момент інформації.

Хоча всередині процесора є спеціальні комірки (регістри) для оперативного зберігання опрацьовуваних даних та деякої службової інформації, у ньому свідомо не передбачено місце для зберігання програми. Для цієї важливої мети в комп’ютері служить інший пристрій – пам’ять. Ми розглянемо лише найбільш важливі види комп’ютерної пам’яті, оскільки її асортимент постійно розширюється і доповнюється новими типами.

Пам’ять у цілому призначена для зберігання як даних так і програм для їх опрацювання: згідно фундаментальному принципу фон Неймана, для обох типів інформації використовується єдиний пристрій.

Починаючи з самих перших ЕОМ, пам’ять відразу стали поділяти на внутрішню та зовнішню. Історично це дійсно було пов’язано з розміщенням її всередині чи ззовні процесорного корпусу. Однак із зменшенням розмірів машин всередину основного процесорного корпусу вдавалось розмістити все більшу кількість пристроїв і початковий безпосередній зміст даного поділу поступово втратився. Тим не менше термінологія залишилась.

Під внутрішньою пам’яттю сучасного комп’ютера прийнято розуміти швидкодіючу електронну пам’ять, розташовану на його системній платі. Зараз така пам’ять створюється на базі самих сучасних напівпровідникових технологій (раніше використовувались магнітні пристрої на основі феритових сердечників). Найбільш суттєва частина внутрішньої пам’яті називається ОЗП – оперативний запам’ятовуючий пристрій. Його головне значення полягає у тому, щоб зберігати дані та програми для розв’язуваних на даний момент задач. Напевне, кожному користувачу відомо, що при виключенні комп’ютера вмісмите ОЗП повністю втрачається. У склад внутрішньої пам’яті сучасного комп’ютера крім ОЗП також входять і деякі інші різновиди пам’яті, які при першому знайомстві можна пропустити. Згадаємо лише про постійний запам’ятовуючий пристрій (ПЗП), у якому зокрема зберігається інформація, необхідна для початкового завантаження комп’ютера у момент включення живлення. Як випливає з назви, інформація в ПЗП не залежить від стану комп’ютера (включений він чи виключений). Раніше вмістиме ПЗП раз і назавжди формувалось на заводі, тепер же сучасні технології дозволяють у випадку необхідності оновлювати його навіть не вилучаючи із комп’ютерної плати.

Зовнішня пам’ять реалізується за допомогою різних пристроїв зберігання інформації і, як правило, конструктивно оформляється у вигляді самостійних блоків. Сюди перш за все потрібно віднести накопичувачі на гнучких та жорстких магнітних дисках (останні ще називають вінчестерами), а також оптичні дисководи (пристрої для роботи з CD ROM). В конструкції пристроїв зовнішньої пам’яті є механічно рухомі частини, тому швидкість їх роботи значно нижча, ніж у повністю електронної внутрішньої пам’яті. Тим не менше, зовнішня пам’ять дозволяє зберігати величезні об’єми інформації з метою наступного використання. Підкреслимо, що інформація у внутрішній пам’яті перш за все призначена для самого комп’ютера, а тому зберігається у зручній для нього формі; людина без використання машини не в змозі, наприклад, навіть віддалено представити вмістиме немаркованої дискети чи компакт-диска CD ROM.

Сучасні програмні системи здатні об’єднати внутрішню та зовнішню пам’ять в єдине ціле (віртуальну пам’ять), причому так, щоб найбільш рідко використовувана інформація потрапляла в найбільш повільно працюючу робочу зовнішньої пам’яті. Такий метод дає можливість дуже суттєво розширити об’єм опрацьовуваної за допомогою комп’ютера інформації.

Якщо процесор доповнити пам’яттю, то така система вже може бути працездатною. Її суттєвим недоліком є неможливість взнати що-небудь про події, що відбуваються всередині. Для отримання інформації про результати, необхідно доповнити комп’ютер пристроями виведення, які дозволять представити їх у доступній людському сприйнятті формі. Найбільш розповсюдженим пристроєм виведення інформації є дисплей, який здатен швидко та оперативно відображати на своєму екрані як текстову так і графічну інформацію. Для того, щоб отримати копію результатів на папері, використовують друкуючий пристрій або принтер.

Так як користувачу часто потрібно вводити в комп’ютерну систему нову інформацію, то необхідні також і пристрої введення. Найпростішим пристроєм введення інформації є клавіатура. Широке розповсюдження програм з графічним інтерфейсом сприяло популярності іншого пристрою введення – маніпулятора типу ”миша”. Одним із ефективних сучасних пристроїв для автоматичного введення інформації в комп’ютер є сканер, який дозволяє не тільки перетворювати картинку з листа паперу, але і за допомогою спеціального програмного забезпечення розпізнавати в прочитаному зображенні текст і зберігати його у вигляді, придатному для редагування у звичайному текстовому редакторі.

Тепер, коли ми знаємо основні пристрої комп’ютера та їх функції, залишилось вияснити, як вони взаємодіють між собою. Для цього звернемося до функціональної схеми сучасного комп’ютера, приведеної на рисунку.

Для зв’язку основних пристроїв комп’ютера між собою використовується спеціальна інформаційна магістраль, яку інженери називають шиною. Шина складається із трьох частин:

· адресна шина, на якій встановлюється адреса потрібної комірки пам’яті чи пристрою, з яким буде відбуватися обмін інформацією;

· шина даних, по якій власне і буде передаватися необхідна інформація; і на кінець,

· шина управління, що регулює цей процес (наприклад, один із сигналів на цій шині дозволяє комп’ютеру розрізняти між собою адреси пам’яті та пристроїв введення/виведення). 

 

 

Розглянемо як приклад читання процесором вмістимого комірки пам’яті. Переконавшись, що шина на даний момент вільна, процесор поміщає на адресну шину потрібну адресу і встановлює необхідну службову інформацію (операція – читання, пристрій ОЗП і т.д.) на шину управління. Тепер йому залишається тільки чекати відповіді від ОЗП. Останній, ”побачивши” на шині звернений до нього запит на читання інформації, вилучає вмістиме необхідної комірки і поміщає його на шину даних. Зрозуміло, що реальний процес більш детальний, але нас зараз не цікавлять технічні деталі. Особливо підкреслимо, що обмін інформацією по шині при певних умовах і при наявності певного допоміжного обладнання може відбуватися і без безпосередньої участі процесора, наприклад між пристроями введення та внутрішньою пам’яттю.

Підкреслимо також те, що описана нами функціональна схема на практиці може бути значно складнішою. Сучасний комп’ютер може мати декілька узгоджено працюючих процесорів, прямі інформаційні канали між окремими пристроями, декілька взаємодіючих магістралей и т.д. Тим не менше, розуміючи найбільш загальну схему роботи комп’ютера, розібратися в конкретній комп’ютерній системі буде вже легше.

Магістральна структура дозволяє легко під’єднувати до комп’ютера саме ті зовнішні пристрої, які потрібні для даного користувача. Завдяки їй вдається скомпонувати із стандартних блоків будь-яку індивідуальну конфігурацію комп’ютера.