Sammensetning av datateknologi. Grunnleggende egenskaper ved datateknologi. Historie om utviklingen av datateknologi

Konseptet datateknologi er et sett med tekniske og matematiske midler, metoder og teknikker som brukes til å mekanisere og automatisere prosessene for beregninger og informasjonsbehandling. Grunnlaget for de tekniske midlene for moderne databehandling består av elektroniske datamaskiner (datamaskiner), input, output, presentasjon og overføringsenheter (skannere, skrivere, modemer, skjermer, plottere, tastaturer, magnetbånd og diskstasjoner, etc.), bærbare datamaskiner, mikrokalkulatorer, elektroniske notatbøker, etc.

En personlig datamaskin er en stasjonær eller bærbar enbrukermikrodatamaskin som oppfyller kravet om universell tilgjengelighet og universalitet.

Grunnlaget for en personlig datamaskin er en mikroprosessor. Utviklingen av mikroprosessorteknologi og teknologi har bestemt endringen i PC-generasjoner:

1. generasjon (1975 – 1980) – basert på 8-bit MP;

2. generasjon (1981 – 1985) – basert på 16-bit MP;

3. generasjon (1986 – 1992) – basert på 32-bit MP;

Fjerde generasjon (siden 1993) – basert på 64-bit MP.

I dag er dataverdenen på randen av en revolusjon: CPUer med ny generasjons transistorer og kraftige mobile brikker vil øke ytelsen til bærbare datamaskiner, nettbrett og smarttelefoner med en størrelsesorden.

Behandlingselementer som måler 10 og 12 nm vil endre dataverdenen fullstendig i det kommende året: tykkelsen deres er 10 000 ganger mindre enn et menneskehår (100 000 nm), og diameteren er nær silisiumatomer (0,3 nm).

Hovedprodusentene av mikroprosessorer for PC-er for tiden er fortsatt:

Intel er en pioner innen utvikling og produksjon av moderne prosessorer. I dag er de mest populære PC-ene på det dyre datamarkedet PC-er med prosessorer basert på flerkjernearkitektur. Intel kjerne.

I april 2012 introduserte Intel 3. generasjon av firekjerners Intel® Core™-prosessorfamilie, tilgjengelig i kraftig skrivebordssystemer profesjonell kvalitet og mobile og tynne alt-i-ett-PC-er som har verdens første 22nm-brikker som bruker Tri-Gate 3D-transistorer.

AMD (Advanced Micro Deviced) er den mest reelle konkurrenten til Intel. Inntil nylig okkuperte den en nisje i datamarkedet med rimelige, men raske prosessorer, hovedsakelig beregnet på rimelige datamaskiner og oppgraderinger.

Med etableringen i 1999 av Athlon-prosessoren, Thunderbird, Polamino, Thoroughbred, Barton-prosessorene og etter 2003, K8-seriens prosessorer, begynte den for alvor å konkurrere med Intel. I dag produserer begge selskapene et produkt av god kvalitet som kan tilfredsstille behovene til nesten alle krevende brukere.

For tiden produseres omtrent 85 % av personlige datamaskiner på grunnlag av disse prosessorene. Avhengig av formålet kan de deles inn i tre grupper:

Husholdning, beregnet for masseforbruk og med den enkleste grunnleggende konfigurasjonen;

Generelt formål, beregnet på å løse vitenskapelige, tekniske, økonomiske og andre problemer og opplæring. Denne klassen er mest utbredt og serveres som regel av ikke-profesjonelle brukere;

Profesjonell brukt i det vitenskapelige feltet for å løse komplekse informasjons- og produksjonsproblemer. De har høye tekniske egenskaper og betjenes av profesjonelle brukere.

I tillegg, i henhold til deres design, er PC-er delt inn i:

BÆRBARE datamaskiner (“bærbar” datamaskin). I en bærbar PC er tastaturet og systemenheten laget i ett etui, som lukkes på toppen med et lokk med LCD-skjerm. De fleste modellene skiller seg ikke til det bedre i sine tekniske parametere og har monokrome skjermer;

NOTATBOK ("notatbøker"). De nyeste modellene har ganske høye tekniske parametere, sammenlignbare med PC-er for generell bruk ( Kjerneprosessorer i7-3612QM, video opptil 6144 Mb, harddisker – HDD over 600 GB eller SSD opptil 256 GB;

ULTRABUK (engelsk Ultrabook) er en ultratynn og lett bærbar PC, med enda mindre dimensjoner og vekt sammenlignet med konvensjonelle undernotatbøker, men samtidig - de fleste av de karakteristiske egenskapene til en fullverdig bærbar PC. Begrepet begynte å spre seg bredt i 2011, etter at Intel Corporation presenterte en ny klasse med mobile PC-er - ultrabooks, et konsept fra Intel og Apple, utviklet på grunnlag av det som ble utgitt i 2008 Apple bærbar PC MacBook Air. Ultrabooks er mindre enn vanlige bærbare datamaskiner, men litt større enn netbooks. De er utstyrt med en liten flytende krystallskjerm fra 11 til 13,3 tommer, er kompakte - tykkelse opptil 20 mm, og veier opptil 2 kg. På grunn av sin lille størrelse har ultrabooks få eksterne porter, og de fleste har ikke en DVD-stasjon.

En netbook er en bærbar datamaskin med relativt lav ytelse, designet først og fremst for tilgang til Internett og arbeid med kontorapplikasjoner. Den har en liten skjermdiagonal på 7-12 tommer, lavt strømforbruk, lett vekt og relativt lav pris.

Driftsprinsippet til moderne PC-er kan beskrives med følgende algoritme:

JEG. Initialisering

Etter å ha slått på datamaskinen, lastet inn operativsystemet og det nødvendige programmet, blir programtelleren tildelt en startverdi lik adressen til den første kommandoen til dette programmet.

II. Lagvalg

CPU-en utfører operasjonen med å lese en kommando fra minnet. Innholdet i programtelleren brukes som adresse til minnecellen.

III. Tolk kommando og øke programtelleren

Innholdet i leseminnecellen tolkes av CPU som en kommando og plasseres i kommandoregisteret. Kontrollenheten begynner å tolke kommandoen. Basert på operasjonskodefeltet fra det første ordet i kommandoen, bestemmer CU lengden og, om nødvendig, organiserer ytterligere leseoperasjoner inntil hele kommandoen er lest av CPUen. Lengden på kommandoen legges til innholdet i programtelleren, og når kommandoen er fullstendig lest, genereres adressen til neste kommando i programtelleren.

IV. Kommandodekryptering og kommandoutførelse

Ved å bruke adressefeltene til instruksjonen bestemmer kontrollenheten om instruksjonen har operander i minnet. Hvis den har det, beregnes adressene til operandene basert på adresseringsmodusene spesifisert i adressefeltene og minneleseoperasjoner utføres for å lese operandene.

Kontrollenheten og ALU utfører operasjonen spesifisert i operasjonskodefeltet i instruksjonen. Prosessorflaggregisteret lagrer egenskapene til operasjonen.

V. Om nødvendig utfører kontrolleren operasjonen med å skrive resultatet inn i minnet.

Hvis den siste kommandoen ikke var "stopp prosessor", utføres den beskrevne operasjonssekvensen igjen. Denne operasjonssekvensen kalles prosessor syklus .

På spesifikke datamaskiner kan implementeringen av denne algoritmen avvike litt. Men i prinsippet er funksjonen til enhver von Neumann-datamaskin beskrevet av en lignende algoritme og er en sekvens av ganske enkle operasjoner.

En PC inkluderer tre hovedenheter: systemenhet, tastatur og display . For å utvide funksjonaliteten til PC-en, er tilleggsutstyr tilkoblet: skriver, skanner, manipulatorer osv. Disse enhetene er enten koblet til systemenheten ved hjelp av kabler gjennom kontakter plassert på bakveggen systemenhet, eller settes direkte inn i systemenheten. PC-en har en modulær struktur. Alle moduler er koblet til systembussen.

Brukes til å kontrollere eksterne enheter kontrollere (VU-adaptere) . Etter å ha mottatt en kommando fra MP, frigjør kontrolleren, som opererer autonomt, MP fra å utføre spesifikke funksjoner for å betjene den eksterne enheten.

Det skal bemerkes at økningen i ytelsen til moderne MP og individuelle enheter eksternt (hoved- og eksternt minne, videosystemer, etc.) har ført til problemet med å øke båndbredde systembussen når du kobler til disse enhetene. For å løse dette problemet ble det utviklet lokale busser, koblet direkte til MP-bussen.

Hovedenheten i en PC er systemenhet . Den består av en CPU, en koprosessor, permanent og tilfeldig tilgangsminne, kontrollere, magnetiske diskstasjoner, strømforsyning og andre funksjonelle moduler. PC-konfigurasjonen kan endres ved å koble til tilleggsmoduler. For å sikre konsistent drift av PC-enheter hovedkort inneholder et brikkesett, dvs. sett med mikrokretser (brikker).

Brikkesettet bestemmer hovedfunksjonene til brettet:

· typer støttede CPUer;

· maksimal systembussfrekvens;

· enhetsbyttelogikk;

støttede typer og maksimal størrelse hovedminne;

· hastigheten på arbeidet med hver type minne;

· støtte for akselerert grafikkport;

· type diskgrensesnitt og dets moduser;

· maksimalt antall utvidelsesspor;

· PC-overvåking.

Brikkesettet til en moderne PC består vanligvis av to brikker: en nordbro eller en minnekontrollhub (Memory Controller Hub, MCH), som betjener sentrale enheter og inneholder kontrollere for hovedminnet, grafikkbussen, systembussen og minnebussen, og en sørbro.bro (South Bridge) eller I/O Controller Hub (ICH), som inneholder kontrollere for I/O-enheter og standard eksterne enheter.

Funksjonsdiagram av en datamaskin - I henhold til formålet datamaskin - Dette er en universell enhet for arbeid med informasjon. I henhold til prinsippene for utformingen er en datamaskin en modell av en person som jobber med informasjon.

Personlig datamaskin(PC) er en datamaskin designet for å betjene én arbeidsstasjon. Dens egenskaper kan avvike fra stormaskin-datamaskiner, men den er funksjonelt i stand til å utføre lignende operasjoner. I henhold til operasjonsmetoden skilles stasjonære (stasjonære), bærbare (bærbare og bærbare) og lommer (palmtop) PC-modeller.

Maskinvare. Siden datamaskinen gir alle tre klasser av informasjonsmetoder for å arbeide med data (maskinvare, programvare og naturlig), er det vanlig å snakke om et datasystem som bestående av maskinvare og programvare som jobber sammen. Komponentene som utgjør maskinvaren til en datamaskin kalles maskinvare. De utfører alt fysisk arbeid med data: registrering, lagring, transport og transformasjon, både i form og innhold, og presenterer dem også i en form som er praktisk for interaksjon med naturlig informasjonsmetoder person.

Helheten til en datamaskins maskinvare kalles maskinvarekonfigurasjonen.

Programvare. Programmer kan være i to tilstander: aktive og passive. I en passiv tilstand fungerer ikke programmet og ser ut som data, hvis innhold er informasjon. I denne tilstanden kan innholdet i programmet "leses" av andre programmer, som at bøker leses og endres. Fra den kan du finne ut formålet med programmet og hvordan det fungerer. I passiv tilstand blir programmer opprettet, redigert, lagret og transportert. Prosessen med å lage og redigere programmer kalles programmering.

Når et program er i en aktiv tilstand, betraktes innholdet i dets data som kommandoer som datamaskinens maskinvare fungerer i henhold til. For å endre rekkefølgen på operasjonen deres, er det nok å avbryte utførelsen av ett program og starte utførelsen av et annet, som inneholder et annet sett med kommandoer.

Settet med programmer som er lagret på en datamaskin danner det programvare. Settet med programmer som er forberedt for drift kalles installert programvare. Settet med programmer som kjører på et eller annet tidspunkt kalles en programvarekonfigurasjon.

Datamaskinenhet. Enhver datamaskin (selv den største) består av fire deler:

• inndataenheter
• informasjonsbehandlingsenheter
• lagringsenheter
• informasjonsutdataenheter.

Strukturelt kan disse delene kombineres i ett tilfelle på størrelse med en bok, eller hver del kan bestå av flere ganske klumpete enheter

Grunnleggende PC-maskinvarekonfigurasjon. Den grunnleggende maskinvarekonfigurasjonen til en personlig datamaskin er minimumssettet med maskinvare som er tilstrekkelig til å begynne å jobbe med en datamaskin. Over tid endres konseptet med en grunnleggende konfigurasjon gradvis.

Oftest består en personlig datamaskin av følgende enheter:

• Systemenhet
• Observere
• Tastatur

I tillegg kan andre inngangs- og utgangsenheter kobles til, for eksempel lydhøyttalere, skriver, skanner...

Systemenhet- hovedblokk datasystem. Den inneholder enheter som anses som interne. Enheter koblet til systemenheten eksternt regnes som eksterne. Begrepet periferutstyr brukes også om eksterne enheter.
Observere- en enhet for visuell gjengivelse av symbolske og grafisk informasjon. Fungerer som en utgangsenhet. For stasjonære PC-er er de vanligste skjermene i dag de som er basert på katodestrålerør. De ligner vagt på husholdnings-TVer.
Tastatur- en tastaturenhet designet for å kontrollere driften av en datamaskin og legge inn informasjon i den. Informasjon legges inn i form av alfanumeriske tegndata.
Mus- grafisk kontrollenhet.

Interne enheter på en personlig datamaskin.
Enheter plassert i systemenheten anses som interne. Noen av dem er tilgjengelige på frontpanelet, noe som er praktisk for raske endringer informasjonsmedier, som floppy magnetiske disker. Kontaktene til noen enheter er plassert på bakveggen - de brukes til å koble til eksternt utstyr. Tilgang til enkelte systemenhetsenheter er ikke gitt - det er ikke nødvendig for normal drift.

PROSESSOR. Mikroprosessor er hovedbrikken til en personlig datamaskin. Alle beregninger utføres i den. Hovedkarakteristikken til prosessoren er klokkefrekvensen (målt i megahertz, MHz). Jo høyere klokkehastighet, jo høyere prosessorytelse. Så, for eksempel, ved en klokkefrekvens på 500 MHz, kan prosessoren endre sin
stat 500 millioner ganger. For de fleste operasjoner er ikke én klokkesyklus nok, så antallet operasjoner en prosessor kan utføre per sekund avhenger ikke bare av klokkehastigheten, men også av kompleksiteten til operasjonene.

Den eneste enheten som prosessoren "vet fra fødselen" er RAM - den fungerer sammen med den. Det er her data og kommandoer kommer fra. Data kopieres til prosessorceller (kalt registre) og konverteres deretter i henhold til innholdet i instruksjonene. Du får et mer fullstendig bilde av hvordan prosessoren samhandler med RAM i kapitlene om grunnleggende programmering.

RAM. RAM kan betraktes som et stort utvalg av celler som lagrer numeriske data og kommandoer mens datamaskinen er slått på. Mengden RAM måles i millioner av byte - megabyte (MB).

Prosessoren kan få tilgang til hvilken som helst RAM-celle (byte) fordi den har en unik numerisk adresse. Prosessoren kan ikke få tilgang til en individuell bit av RAM, siden biten ikke har en adresse. Samtidig kan prosessoren endre tilstanden til hvilken som helst bit, men dette krever flere handlinger.

Hovedkort. Hovedkortet er det største kretskortet til en personlig datamaskin. Den inneholder motorveier som kobler prosessoren med RAM - de såkalte bussene. Det er en databuss som prosessoren kopierer data fra minneceller gjennom, en adressebuss som den kobles til spesifikke minneceller gjennom, og en kommandobuss som prosessoren mottar kommandoer fra programmer gjennom. Alle andre interne enheter på datamaskinen er også koblet til hovedkortbussene. Driften av hovedkortet styres av et mikroprosessorbrikkesett - det såkalte brikkesettet.

Videoadapter. En videoadapter er en intern enhet installert i en av kontaktene på hovedkortet. De første personlige datamaskinene hadde ikke videoadaptere. I stedet ble det tildelt et lite område i RAM for lagring av videodata. En spesiell brikke (videokontroller) leste data fra videominneceller og styrte skjermen i samsvar med dem.

Etter hvert som de grafiske egenskapene til datamaskiner ble forbedret, ble videominneområdet skilt fra hoved-RAM-en og ble sammen med videokontrolleren separert i en egen enhet, som ble kalt en videoadapter. Moderne videoadaptere har sin egen dataprosessor (videoprosessor), som har redusert belastningen på hovedprosessoren ved konstruksjon av komplekse bilder. Videoprosessoren spiller en spesielt viktig rolle når du bygger på en flatskjerm. 3D-bilder. Under slike operasjoner må han utføre et spesielt stort antall matematiske beregninger.

I noen hovedkortmodeller utføres funksjonene til videoadapteren av brikkesettbrikker - i dette tilfellet sier de at videoadapteren er integrert med hovedkort. Hvis skjermkortet er laget som en separat enhet, kalles det et skjermkort. Videokortkontakten er plassert på bakveggen. En skjerm er koblet til den.

Lydadapter. For IBM PC-datamaskiner ble det i utgangspunktet ikke gitt arbeid med lyd. I de første ti årene av dens eksistens ble datamaskiner med denne plattformen ansett som kontorutstyr og klarte seg uten lydenheter. Foreløpig anses lydverktøy som standard. For å gjøre dette på hovedkort Lydadapteren er installert. Det kan integreres i hovedkortets brikkesett eller implementeres som et separat plug-in-kort kalt et lydkort.
Lydkortkontaktene er plassert på bakveggen av datamaskinen. For å spille av lyd er høyttalere eller hodetelefoner koblet til dem. En separat kontakt er beregnet for tilkobling av en mikrofon. I nærvær av spesialprogram dette lar deg ta opp lyd. Det er også en kontakt (linjeutgang) for tilkobling til eksternt lydopptak eller lydgjengivelsesutstyr (båndopptakere, forsterkere osv.).

HDD. Siden datamaskinens RAM tømmes når strømmen slås av, trengs en enhet for å lagre data og programmer i lang tid. For tiden er såkalte harddisker mye brukt til disse formålene.
Driftsprinsipp harddisk er basert på registrering av endringer i magnetfeltet nær opptakshodet.

Hoved hard parameter Diskkapasitet måles i gigabyte (milliarder byte), GB. Gjennomsnittlig størrelse på en moderne harddisk er 80 - 160 GB, og denne parameteren vokser jevnt og trutt.

Diskettstasjon. For å transportere data mellom eksterne datamaskiner brukes såkalte disketter. En standard diskett (diskett) har en relativt liten kapasitet på 1,44 MB. Etter moderne standarder er dette helt utilstrekkelig for de fleste datalagrings- og transportoppgaver, men de lave mediakostnadene og høy tilgjengelighet har gjort disketter til det vanligste lagringsmediet.

For å skrive og lese data som er lagret på disketter, brukes en spesiell enhet - en diskstasjon. Drivens mottakshull er plassert på frontpanelet til systemenheten.

Cd rom-stasjon. For å transportere store datamengder er det praktisk å bruke CD-ROM. Disse platene kan bare lese tidligere skrevne data, de kan ikke skrives til. Kapasiteten til én disk er omtrent 650-700 MB.

CD-ROM-stasjoner brukes til å lese CD-er. Hovedparameteren til en CD-ROM-stasjon er lesehastigheten. Det måles i flere enheter. Lesehastigheten som ble godkjent på midten av 80-tallet tas som én. for musikk-CDer (lyd-CDer). Moderne CD-ROM-stasjoner gir lesehastigheter på 40x - 52x.
Den største ulempen CD-ROM-stasjoner- umuligheten av å ta opp plater - har blitt overvunnet i moderne enheter for å skrive en gang - CD-R. Det finnes også CD-RW-enheter som tillater flere opptak.

Prinsippet for datalagring på CDer er ikke magnetisk, som disketter, men optisk.

Kommunikasjonsporter. For å kommunisere med andre enheter, som skriver, skanner, tastatur, mus osv., er datamaskinen utstyrt med såkalte porter. En port er ikke bare en kontakt for å koble til eksternt utstyr, selv om en port ender i en kontakt. En port er en mer kompleks enhet enn bare en kontakt, som har sine egne mikrokretser og kontrollert av programvare.

Nettverksadapter. Nettverkskort er nødvendig for at datamaskiner skal kunne kommunisere med hverandre. Denne enheten sikrer at prosessoren ikke sender en ny del av data til den eksterne porten før nettverksadapteren til en nabodatamaskin har kopiert den forrige delen til seg selv. Etter dette får prosessoren et signal om at dataene er samlet inn og nye kan sendes inn. Slik foregår overføringen.

Når en nettverksadapter "lærer" fra en naboadapter at den har et stykke data, kopierer den det til seg selv, og sjekker deretter om det er adressert til det. Hvis ja, sender den dem til prosessoren. Hvis ikke, setter den dem på utgangsporten, hvorfra nettverksadapteren til neste nabodatamaskin vil plukke dem opp. Dette er hvordan data flyttes mellom datamaskiner til de når mottakeren.
Nettverksadaptere kan bygges inn i hovedkortet, men installeres oftere separat, i form av tilleggskort kalt nettverkskort.

Elektroniske datamaskiner er vanligvis klassifisert i henhold til en rekke egenskaper, spesielt: funksjonalitet og arten av oppgavene som løses, i henhold til organisasjonsmetoden databehandling, av arkitektoniske funksjoner og datakraft.

Basert på funksjonalitet og arten av oppgavene som løses, skilles følgende ut:

Universelle (generelle) datamaskiner;

Problemorienterte datamaskiner;

Spesialiserte datamaskiner.

Mainframe-datamaskiner er designet for å løse et bredt spekter av tekniske og tekniske problemer, preget av kompleksiteten til algoritmene og det store volumet av behandlede data.

Problemorienterte datamaskiner er designet for å løse et smalere spekter av oppgaver knyttet til registrering, akkumulering og behandling av små mengder data.

Spesialiserte datamaskiner brukes til å løse et smalt spekter av problemer (mikroprosessorer og kontrollere som utfører kontrollfunksjoner for tekniske enheter).

Ved å organisere databehandlingsprosessen Datamaskiner er delt inn i enkeltprosessor og multiprosessor, samt sekvensiell og parallell.

Enkel prosessor. Datamaskinen har én sentral prosessor og alle dataoperasjoner og operasjoner for å kontrollere inngangs-/utgangsenheter utføres på denne prosessoren.

Multiprosessor. Datamaskinen inneholder flere prosessorer mellom hvilke funksjoner for organisering av dataprosessen og administrasjon av informasjonsinndata/utdataenheter omfordeles.

Konsistent. De fungerer i enkeltprogrammodus, når datamaskinen er designet på en slik måte at den bare kan kjøre ett program, og alle ressursene brukes kun i interessen til programmet som kjøres.

Parallell. De fungerer i flerprogrammodus, når flere brukerprogrammer kjører på datamaskinen og ressurser deles mellom disse programmene, noe som sikrer at de kjøres parallelt.

Basert på arkitektoniske funksjoner og datakraft, skilles de ut:

La oss vurdere ordningen for å klassifisere datamaskiner i henhold til dette kriteriet (fig. 1).

Figur 1. Klassifisering av datamaskiner i henhold til arkitektoniske egenskaper

og datakraft.

Superdatamaskiner– Dette er de kraftigste datamaskinene når det gjelder hastighet og ytelse. Superdatamaskiner inkluderer "Cray" og "IBM SP2" (USA). De brukes til å løse storskala dataproblemer og modellering, for komplekse beregninger innen aerodynamikk, meteorologi, høyenergifysikk, og brukes også i finanssektoren.

Store maskiner eller stormaskiner. Mainframes brukes i finanssektoren, forsvarskomplekset, og brukes til å bemanne avdelings-, territorielle og regionale datasentre.

Middels datamaskiner mye brukt til å kontrollere komplekse teknologiske produksjonsprosesser.

Minidatamaskin designet for bruk som kontrolldatasystemer og nettverksservere.

Mikrodatamaskin– Dette er datamaskiner som bruker en mikroprosessor som sentralenhet. Disse inkluderer innebygde mikrodatamaskiner (innebygd i diverse utstyr, utstyr eller enheter) og personlige datamaskiner (PC-er).

Personlige datamaskiner. Den har utviklet seg raskt de siste 20 årene. En personlig datamaskin (PC) er designet for å betjene en enkelt arbeidsstasjon og kan møte behovene til små bedrifter og enkeltpersoner. Med fremkomsten av Internett har populariteten til PC-er økt betydelig, siden du ved å bruke en personlig datamaskin kan bruke vitenskapelig, referanse-, pedagogisk og underholdningsinformasjon.

Personlige datamaskiner inkluderer stasjonære og bærbare PC-er. Bærbare datamaskiner inkluderer Notebook (notisblokk eller Notisbok) og personlige datamaskiner (Personal Computers Handheld - Håndholdt PC, Personal Digital Assistants - PDA og Palmtop).

Innebygde datamaskiner. Datamaskiner som brukes i ulike enheter, systemer og komplekser for å implementere spesifikke funksjoner. For eksempel bildiagnostikk.

Siden 1999 har en internasjonal sertifiseringsstandard, PC99-spesifikasjonen, blitt brukt til å klassifisere PC-er. I henhold til denne spesifikasjonen er PC-er delt inn i følgende grupper:

· masse-PCer (Consumer PC);

· forretnings-PCer (kontor-PC);

· bærbare PCer (Mobil PC);

· arbeidsstasjoner (WorkStation);

· underholdnings-PCer (Entertaiment PC).

De fleste PC-er er gigantisk og inkluderer et standard (minimum nødvendig) sett med maskinvare. Dette settet inkluderer: systemenhet, skjerm, tastatur, mus. Om nødvendig kan dette settet enkelt suppleres med andre enheter på brukerens forespørsel, for eksempel en skriver.

Bedrifts-PCer inkludere et minimum av grafikk og lydgjengivelsesverktøy.

Bærbare PC-er avvike i nærvær av kommunikasjonsmidler for fjerntilgang.

Arbeidsstasjoner møte økte krav til minnekapasiteten til datalagringsenheter.

Underholdnings-PCer fokusert på høykvalitets grafikk og lydgjengivelse.

Av designfunksjoner PC-er er delt inn i:

· stasjonær (skrivebord, skrivebord);

bærbar:

· bærbar (bærbar);

· notatbøker;

· lomme (palmetopp).

For å effektivt studere anvendt datateknologi er det ekstremt viktig å ha en klar forståelse av maskinvare og programvare. Sammensetningen av datateknologi kalles konfigurasjon . Maskinvare og programvare Datateknologi vurderes vanligvis separat. Følgelig vurderer de separat maskinvarekonfigurasjon og dem programvare konfigurasjon Dette separasjonsprinsippet er spesielt viktig for informatikk, siden løsningen på de samme problemene ofte kan leveres av både maskinvare og programvare. Kriteriene for å velge en maskinvare- eller programvareløsning er ytelse og effektivitet. Skriv for eksempel enten inn teksten i et tekstredigeringsprogram, eller bruk en skanner.

Grunnleggende maskinvarekonfigurasjon av en personlig datamaskin

Personlig datamaskin – universell teknisk system. Hans konfigurasjon (utstyrssammensetning) kan fleksibelt endres etter behov. Det er imidlertid et konsept grunnleggende konfigurasjon , som anses som typisk, dvs. minimumssett med utstyr. Datamaskinen kommer vanligvis med dette settet. Konseptet med en grunnleggende konfigurasjon kan variere. Foreløpig vurdert i den grunnleggende konfigurasjonen følgende enheter(Fig. 2.1.):

La oss ta en titt på delene.

Til det viktigste tekniske midler personlig datamaskin inkluderer:

- systemenhet;

- skjerm (skjerm);

- tastatur.

I tillegg kan du koble til datamaskinen din, for eksempel:

- Skriver;

- mus;

- skanner;

- modem (modulator-demodulator);

- plotter;

- joystick, etc.

Systemenhet

Systemenheten er hovedenheten der de viktigste komponentene er installert. Systemenhet (se fig. 2.2., 2.3.) er et tilfelle der nesten all datamaskinens maskinvare er plassert.

Enheter plassert inne i systemenheten kalles innvendig, og enheter koblet til den eksternt kalles utvendig. Utvendig ekstra enheter, også kalt perifert.

Intern organisasjon systemenhet:

· hovedkort;

· HDD:

· diskettstasjon;

· Cd rom-stasjon;

· skjermkort (skjermkort);

· lydkort;

· kraftenhet.

Systemer plassert på hovedkort:

· RAM;

· prosessor;

· ROM-brikke og BIOS-system;

· bussgrensesnitt osv.

Magnetiske disker, i motsetning til RAM, er designet for permanent lagring av informasjon.

Det er to typer magnetiske disker som brukes i PC-er:

· ikke-flyttbar harddisk (harddisk);

· flyttbare, fleksible disker (disketter).

Harddisken er designet for permanent lagring av informasjon som mer eller mindre ofte brukes i arbeid: operativsystemprogrammer, kompilatorer fra programmeringsspråk, service (vedlikehold) programmer, brukerapplikasjonsprogrammer, tekstdokumenter, databasefiler osv. Harddisken er betydelig bedre enn disketter når det gjelder tilgangshastighet, kapasitet og pålitelighet.

3. Datateknologi 1

3.1 Historien om utviklingen av datateknologi 1

3.2 Metoder for klassifisering av datamaskiner 3

3.3 Andre typer datamaskinklassifisering 5

3.4 Sammensetning av datasystemet 7

3.4.1 Maskinvare 7

3.4.2 Programvare 7

3.5 Klassifisering av applikasjonsprogramvare 9

3.6 Klassifisering av hjelpeprogramvare 12

3.7 Konseptet med informasjon og matematisk støtte for datasystemer 13

3.8 Oppsummering 13

1. Datateknikk

   1. Historie om utviklingen av datateknologi

Datasystem, datamaskin

Å finne midler og metoder for mekanisering og automatisering av arbeid er en av hovedoppgavene til tekniske disipliner. Automatisering av arbeid med data har sine egne egenskaper og forskjeller fra automatisering av andre typer arbeid. For denne klassen av oppgaver brukes spesielle typer enheter, hvorav de fleste er elektroniske enheter. Et sett med enheter designet for automatisk eller automatisert databehandling kalles datateknologi, Et spesifikt sett med samvirkende enheter og programmer designet for å betjene ett arbeidsområde kalles datasystem. Den sentrale enheten i de fleste datasystemer er datamaskin.

En datamaskin er en elektronisk enhet designet for å automatisere opprettelse, lagring, behandling og transport av data.

Hvordan datamaskinen fungerer

Ved å definere en datamaskin som en enhet, indikerte vi den definerende funksjonen - elektronisk. Automatiske beregninger ble imidlertid ikke alltid utført av elektroniske enheter. Det er også kjent mekaniske enheter som kan utføre beregninger automatisk.

Analyserer tidlig historie datateknologi, kaller noen utenlandske forskere ofte en mekanisk beregningsenhet som en gammel forgjenger til datamaskinen kuleramme. Tilnærmingen "fra kulerammet" indikerer en dyp metodologisk misforståelse, siden kulerammet ikke har egenskapen til automatisk å utføre beregninger, men for en datamaskin er det avgjørende.

Kulerammen er den tidligste mekaniske telleanordningen, opprinnelig en leirplate med riller der steiner som representerer tall ble plassert. Utseendet til kulerammet dateres tilbake til det fjerde årtusen f.Kr. e. Opprinnelsesstedet anses å være Asia. I middelalderen i Europa ble kulerammen erstattet av grafiske tabeller. Beregninger ved hjelp av dem ble kalt teller på linjene, og i Russland på 1500- og 1600-tallet dukket det opp en mye mer avansert oppfinnelse, som fortsatt brukes i dag - russisk kuleramme.

Samtidig er vi godt kjent med en annen enhet som automatisk kan utføre beregninger – en klokke. Uavhengig av driftsprinsippet har alle typer klokker (sandklokke, vannklokke, mekaniske, elektriske, elektroniske, etc.) muligheten til å generere bevegelser eller signaler med jevne mellomrom og registrere de resulterende endringene, det vil si utføre automatisk summering av signaler eller bevegelser. Dette prinsippet kan sees selv i solur som bare inneholder en opptaksenhet (rollen til en generator utføres av Earth-Sun-systemet).

En mekanisk klokke er en enhet som består av en enhet som automatisk utfører bevegelser med faste spesifiserte intervaller og en enhet for å registrere disse bevegelsene. Stedet hvor de første mekaniske klokkene dukket opp er ukjent. De tidligste eksemplene går tilbake til 1300-tallet og tilhører klostre (tårnklokke).

I hjertet av enhver moderne datamaskin, som i elektronisk klokke, ligger klokkegenerator, genererer elektriske signaler med jevne mellomrom som brukes til å drive alle enheter i et datasystem. Å kontrollere en datamaskin handler faktisk om å administrere distribusjonen av signaler mellom enheter. Slik kontroll kan utføres automatisk (i dette tilfellet snakker de om programkontroll) eller manuelt ved hjelp av eksterne kontroller - knapper, brytere, jumpere, etc. (i tidlige modeller). I moderne datamaskiner er ekstern kontroll i stor grad automatisert ved hjelp av spesielle hardware-logiske grensesnitt som kontroll- og datainndataenheter (tastatur, mus, joystick og andre) er koblet til. I motsetning til programstyring kalles slik kontroll interaktiv.

Mekaniske kilder

Verdens første automatiske enhet for å utføre tilleggsoperasjonen ble opprettet på grunnlag av en mekanisk klokke. I 1623 ble den utviklet av Wilhelm Schickard, professor ved Institutt for orientalske språk ved Universitetet i Tübingen (Tyskland). I dag er en arbeidsmodell av enheten gjengitt fra tegningene og har bekreftet funksjonaliteten. Oppfinneren selv kalte maskinen en "summeringsklokke" i brevene sine.

I 1642 utviklet den franske mekanikeren Blaise Pascal (1623-1662) en mer kompakt tilleggsenhet, som ble verdens første masseproduserte mekaniske kalkulator (hovedsakelig for behovene til parisiske pengeutlånere og pengevekslere). I 1673 skapte den tyske matematikeren og filosofen G. W. Leibniz (1646-1717) en mekanisk kalkulator som kunne utføre multiplikasjons- og divisjonsoperasjoner ved å gjenta addisjons- og subtraksjonsoperasjoner om og om igjen.

I løpet av 1700-tallet, kjent som opplysningstiden, dukket det opp nye, mer avanserte modeller, men prinsippet om mekanisk kontroll av dataoperasjoner forble det samme. Ideen om å programmere beregningsoperasjoner kom fra samme klokkeindustri. Den gamle klosterklokken ble satt til å slå på en mekanisme koblet til et klokkesystem på et gitt tidspunkt. Slik programmering var vanskelig - samme operasjon ble utført samtidig.

Ideen om fleksibel programmering av mekaniske enheter ved hjelp av perforert papirtape ble først realisert i 1804 i Jacquard-vevstolen, hvoretter det bare var ett skritt for å programkontroll beregningsmessige operasjoner.

Dette skrittet ble tatt av den fremragende engelske matematikeren og oppfinneren Charles Babbage (1792-1871) i hans Analytical Engine, som dessverre aldri ble fullstendig bygget av oppfinneren i løpet av hans levetid, men ble gjengitt i våre dager i henhold til tegningene hans, så at vi i dag har rett til å snakke om den analytiske motoren som en virkelig eksisterende enhet. En spesiell egenskap ved den analytiske motoren var at den var den første som implementerte prinsippet om å dele informasjon i kommandoer og data. Den analytiske motoren inneholdt to store enheter - et "lager" og en "mølle". Data ble lagt inn i det mekaniske minnet til "lageret" ved å installere blokker med tannhjul, og deretter behandlet i "møllen" ved hjelp av kommandoer som ble lagt inn fra perforerte kort (som i en Jacquard-vevstol).

Forskere av Charles Babbages arbeid bemerker absolutt den spesielle rollen til grevinne Augusta Ada Lovelace (1815-1852), datter av den berømte poeten Lord Byron, i utviklingen av Analytical Engine-prosjektet. Det var hun som kom på ideen om å bruke perforerte kort for programmering av beregningsoperasjoner (1843). Spesielt i et av brevene hennes skrev hun: "Den analytiske motoren vever algebraiske mønstre på samme måte som en vevstol reproduserer blomster og blader." Lady Ada kan med rette kalles verdens første programmerer. I dag er et av de kjente programmeringsspråkene oppkalt etter henne.

Charles Babbages idé om separat vurdering lag Og data viste seg å være uvanlig fruktbart. På 1900-tallet det ble utviklet i prinsippene til John von Neumann (1941), og i dag ved beregning av prinsippet om separat hensyn programmer Og data er veldig viktig. Det tas i betraktning både når man utvikler arkitekturen til moderne datamaskiner og når man utvikler dataprogrammer.

Matematiske kilder

Hvis vi tenker på hvilke objekter de første mekaniske forgjengerne til den moderne elektroniske datamaskinen jobbet med, må vi innrømme at tall ble representert enten i form av lineære bevegelser av kjede- og stativmekanismer, eller i form av vinkelbevegelser av gir- og spakmekanismer . I begge tilfeller var dette bevegelser, som ikke kunne annet enn å påvirke dimensjonene til enhetene og hastigheten på deres operasjon. Bare overgangen fra opptak av bevegelser til opptak av signaler gjorde det mulig å redusere dimensjonene betydelig og øke ytelsen. På veien til denne prestasjonen var det imidlertid nødvendig å introdusere flere viktige prinsipper og konsepter.

Leibniz binære system. I mekaniske enheter kan tannhjul ha ganske mye fast og, viktigst, forskjellig mellom utgjøre bestemmelser. Antall slike posisjoner er minst lik antall tannhjul. I elektrisk og elektroniske enheter vi snakker om ikke om registrering bestemmelser strukturelle elementer, og om registrering stater enhetselementer. Så stabil og skilles ut Det er bare to tilstander: på - av; åpen lukket; ladet - utladet osv. Derfor er det tradisjonelle desimalsystemet som brukes i mekaniske kalkulatorer upraktisk for elektroniske dataenheter.

Muligheten for å representere alle tall (og ikke bare tall) med binære sifre ble først foreslått av Gottfried Wilhelm Leibniz i 1666. Han kom til det binære tallsystemet mens han forsket på det filosofiske konseptet enhet og kampen om motsetninger. Et forsøk på å forestille seg universet i form av en kontinuerlig interaksjon av to prinsipper ("svart" og "hvit", mann og kvinne, godt og ondt) og å bruke metodene for "ren" matematikk på studiet, fikk Leibniz til å studere egenskapene til den binære representasjonen av data. Det må sies at Leibniz allerede hadde tenkt på muligheten for å bruke et binært system i en dataenhet, men siden det ikke var behov for dette for mekaniske enheter, brukte han ikke prinsippene til det binære systemet i kalkulatoren sin (1673). .

Matematisk logikk til George Boole, Når vi snakker om arbeidet til George Boole, understreker forskere av datateknologiens historie at denne fremragende engelske forskeren fra første halvdel av 1800-tallet var selvlært. Kanskje var det nettopp på grunn av mangelen på en "klassisk" (som forstått på den tiden) utdanning at George Boole introduserte revolusjonerende endringer i logikk som vitenskap.

Mens han studerte tenkningens lover, brukte han et system med formell notasjon og regler i logikk som var nær den matematiske. Senere dette systemet kalt logisk algebra eller Boolsk algebra. Reglene for dette systemet gjelder for et bredt utvalg av objekter og deres grupper (settene, i henhold til forfatterens terminologi). Hovedformålet med systemet, slik det ble unnfanget av J. Boole, var å kode logiske utsagn og redusere strukturene til logiske konklusjoner til enkle uttrykk nær matematiske formler. Resultatet av en formell evaluering av et logisk uttrykk er en av to logiske verdier: ekte eller å ligge.

Betydningen av logisk algebra ble ignorert i lang tid, siden dens teknikker og metoder ikke inneholdt praktiske fordeler for datidens vitenskap og teknologi. Men da den grunnleggende muligheten for å lage datateknologi på elektronisk basis dukket opp, viste operasjonene introdusert av Boole seg å være svært nyttige. De er i utgangspunktet fokusert på å jobbe med bare to enheter: ekte Og å ligge. Det er ikke vanskelig å forstå hvordan de var nyttige for å jobbe med binær kode, som i moderne datamaskiner også er representert med bare to signaler: null Og enhet.

Ikke hele George Booles system (og heller ikke alle de logiske operasjonene han foreslo) ble brukt til å lage elektroniske datamaskiner, men fire hovedoperasjoner: Og (kryss), ELLER (Union), IKKE (anke) og EKSKLUSIV ELLER - danner grunnlaget for driften av alle typer prosessorer i moderne datamaskiner.

Ris. 3.1. Grunnleggende operasjoner av logisk algebra

Klassifisering av datautstyr

1. Maskinvare

Sammensetningen av et datasystem kalles konfigurasjon. Datamaskinvare og programvare vurderes vanligvis separat. Følgelig vurderes maskinvarekonfigurasjonen til datasystemer og deres programvarekonfigurasjon separat. Dette separasjonsprinsippet er spesielt viktig for informatikk, siden løsningen på de samme problemene ofte kan leveres av både maskinvare og programvare. Kriteriene for å velge en maskinvare- eller programvareløsning er ytelse og effektivitet. Det er generelt akseptert at maskinvareløsninger i gjennomsnitt er dyrere, men implementeringen programvareløsninger krever mer høyt kvalifisert personell.

TIL maskinvare datasystemer inkluderer enheter og instrumenter som danner en maskinvarekonfigurasjon. Moderne datamaskiner og datasystemer har en blokkmodulær design - maskinvarekonfigurasjonen som er nødvendig for utførelsen spesifikke typer arbeid, som kan settes sammen fra ferdige enheter og blokker.

De viktigste maskinvarekomponentene i et datasystem er: minne, sentral prosessor og perifere enheter, som er sammenkoblet av en systembuss (fig. 1.) Hovedminnet er designet for å lagre programmer og data i binær form og er organisert i formen av et ordnet utvalg av celler, som hver har en unik digital adresse. Vanligvis er cellestørrelsen 1 byte. Typiske operasjoner på hovedminnet: lesing og skriving av innholdet i en celle med en bestemt adresse.

2. Sentral prosessor

Den sentrale prosessorenheten er sentralenheten til en datamaskin som utfører databehandlingsoperasjoner og kontrollerer datamaskinens perifere enheter. Den sentrale prosessoren inkluderer:

Kontrollenhet - organiserer prosessen med programkjøring og koordinerer interaksjonen mellom alle enheter i datasystemet under driften;

Aritmetisk-logisk enhet - utfører aritmetiske og logiske operasjoner på data: addisjon, subtraksjon, multiplikasjon, divisjon, sammenligning, etc.;

Lagringsenhet - er internt minne prosessor, som består av registre, når den brukes, utfører prosessoren beregninger og lagrer mellomresultater; For å øke hastigheten på arbeidet med RAM, brukes cache-minne, der kommandoer og data fra RAM som er nødvendig for prosessoren for påfølgende operasjoner, pumpes videre;

Klokkegenerator - genererer elektriske impulser som synkroniserer driften av alle datamaskinnoder.

Sentralprosessoren utfører ulike operasjoner med data ved å bruke spesialiserte celler for lagring av nøkkelvariabler og midlertidige resultater - interne registre. Registrene er delt inn i to typer (fig. 2):

Generelle registre - brukes til midlertidig lagring av lokale nøkkelvariabler og mellomresultater av beregninger, inkluderer dataregistre og pekerregistre; hovedfunksjonen er å gi rask tilgang til ofte brukte data (vanligvis uten minnetilgang).

Spesialiserte registre - brukes til å kontrollere operasjonen til prosessoren, de viktigste av dem er: instruksjonsregisteret, stabelpekeren, flaggregisteret og registeret som inneholder informasjon om programtilstanden.

Programmereren kan bruke dataregistre etter eget skjønn for å midlertidig lagre eventuelle objekter (data eller adresser) og utføre de nødvendige operasjonene på dem. Indeksregistre, som dataregistre, kan brukes på alle måter; deres hovedformål er å lagre indekser eller forskyvninger av data og instruksjoner fra begynnelsen av baseadressen (når du henter operander fra minnet). Baseadressen kan være i baseregistrene.

Segmentregistre er et kritisk element i prosessorarkitekturen, og gir adressering av et 20-bits adresserom ved bruk av 16-biters operander. Hovedsegmentregistre: CS - kodesegmentregister; DS - datasegmentregister; SS er stabelsegmentregisteret, ES er tilleggssegmentregisteret. Minne er tilgjengelig gjennom segmenter - logiske formasjoner lagt over en hvilken som helst del av det fysiske adresserommet. Startadressen til segmentet, delt på 16 (uten det minst signifikante heksadesimale sifferet) legges inn i et av segmentregistrene; hvoretter tilgang til minneseksjonen som starter fra den spesifiserte segmentadressen gis.

Adressen til en hvilken som helst minnecelle består av to ord, hvorav det ene bestemmer plasseringen i minnet til det tilsvarende segmentet, og det andre - forskyvningen innenfor dette segmentet. Størrelsen på et segment bestemmes av mengden data det inneholder, men kan aldri overstige 64 KB, som bestemmes av maksimalt mulig offset-verdi. Segmentadressen til instruksjonssegmentet lagres i CS-registeret, og forskyvningen til den adresserte byten lagres i IP-instruksjonspekerregisteret.

Fig.2. 32-bits prosessorregistre

Etter å ha lastet programmet, legges forskyvningen til den første kommandoen til programmet inn i IP-en. Etter å ha lest det fra minnet, øker prosessoren innholdet av IP nøyaktig med lengden på denne instruksjonen (Intel-prosessorinstruksjoner kan ha en lengde på 1 til 6 byte), som et resultat av at IP peker til den andre instruksjonen til programmet . Etter å ha utført den første kommandoen, leser prosessoren den andre fra minnet, og øker igjen IP-verdien. Som et resultat inneholder IP-en alltid forskyvningen til neste kommando - kommandoen etter den som blir utført. Den beskrevne algoritmen brytes kun ved utføring av hoppinstruksjoner, subrutineanrop og avbruddsservice.

Segmentadressen til datasegmentet er lagret i DS-registeret, forskyvningen kan være i et av de generelle registrene. Det ekstra segmentregisteret ES brukes for å få tilgang til datafelt som ikke er inkludert i programmet, slik som videobufferen eller systemceller. Om nødvendig kan den imidlertid konfigureres for ett av programsegmentene. For eksempel, hvis et program jobber med en stor mengde data, kan du gi to segmenter for dem og få tilgang til ett av dem gjennom DS-registeret, og det andre gjennom ES-registeret.

Stabelpekerregisteret SP brukes som en peker til toppen av stabelen. En stack er et programområde for midlertidig lagring av vilkårlige data. Det praktiske med stabelen ligger i det faktum at området brukes gjentatte ganger, og lagring av data på stabelen og henting derfra utføres ved å bruke push- og pop-kommandoene uten å spesifisere navn. Stakken brukes tradisjonelt til å lagre innholdet i registre som brukes av et program før det kalles opp en subrutine, som igjen vil bruke prosessorregistrene til sine egne formål. Det opprinnelige innholdet i registrene blir tatt ut av stabelen etter at subrutinen kommer tilbake. En annen vanlig teknikk er å sende parametrene den krever til en subrutine via stabelen. Subrutinen, som vet i hvilken rekkefølge parametrene er plassert på stabelen, kan ta dem derfra og bruke dem under utførelsen.

Et særtrekk ved stabelen er den unike rekkefølgen som dataene i den hentes i: til enhver tid er bare det øverste elementet tilgjengelig på stabelen, det vil si elementet som sist ble lastet inn i stabelen. Ved å sprette det øverste elementet fra stabelen blir det neste elementet tilgjengelig. Stabelelementer er plassert i minneområdet som er tildelt for stabelen, med start fra bunnen av stabelen (ved dens maksimale adresse) ved suksessivt avtagende adresser. Adressen til det øverste, tilgjengelige elementet er lagret i stabelpekerregisteret SP.

Spesialregistre er kun tilgjengelige i privilegert modus og brukes av operativsystemet. De kontrollerer ulike hurtigbufferblokker, hovedminne, inngangs-/utdataenheter og andre enheter i datasystemet.

Det er ett register som er tilgjengelig i både privilegert og brukermodus. Dette er PSW-registeret (Program State Word), som kalles flaggregisteret. Flaggregisteret inneholder ulike biter som trengs av sentralprosessoren, de viktigste er tilstandskoder som brukes i sammenligninger og betingede hopp.De settes i hver syklus av prosessorens aritmetisk-logiske enhet og reflekterer tilstanden til resultatet av forrige operasjon. Innholdet i flaggregisteret avhenger av typen datasystem og kan inkludere tilleggsfelt som indikerer: maskinmodus (for eksempel bruker eller privilegert); sporingsbit (som brukes til feilsøking); prosessorprioritetsnivå; avbryte aktiveringsstatus. Flaggregisteret leses vanligvis i brukermodus, men noen felt kan kun skrives i privilegert modus (for eksempel biten som indikerer modus).

Kommandopekerregisteret inneholder adressen til neste kommando i køen for utførelse. Etter å ha valgt en instruksjon fra minnet, justeres instruksjonsregisteret og pekeren flyttes til neste instruksjon. Instruksjonspekeren overvåker fremdriften av programutførelsen, og indikerer i hvert øyeblikk den relative adressen til instruksjonen som følger etter den som blir utført. Registeret er ikke programmatisk tilgjengelig; Adresseøkningen i den utføres av mikroprosessoren, under hensyntagen til lengden på gjeldende instruksjon. Kommandoene for hopp, avbrudd, oppringing av subrutiner og retur fra dem endrer innholdet i pekeren, og gjør derved overganger til de nødvendige punktene i programmet.

Akkumulatorregisteret brukes i de aller fleste instruksjoner. Ofte brukte kommandoer som bruker dette registeret, har et forkortet format.

For å behandle informasjon overføres data vanligvis fra minneceller til generelle registre, og utfører en operasjon sentral prosessor og overføre resultatene til hovedminnet. Programmer lagres som en sekvens av maskininstruksjoner som må utføres av den sentrale prosessoren. Hver kommando består av et operasjonsfelt og operandfelt - dataene som operasjonen utføres på. Et sett med maskininstruksjoner kalles maskinspråk. Programmene utføres som følger. Maskininstruksjonen peker på av programtelleren leses fra minnet og kopieres inn i instruksjonsregisteret, hvor den dekodes og deretter utføres. Etter utførelse peker programtelleren til neste kommando osv. Disse handlingene kalles en maskinsyklus.

De fleste sentrale prosessorer har to driftsmoduser: kjernemodus og brukermodus, som er spesifisert med en bit i prosessorens statusord (flaggregister). Hvis prosessoren kjører i kjernemodus, kan den utføre alle instruksjoner i instruksjonssettet og bruke alle egenskapene til maskinvaren. Operativsystemet kjører i kjernemodus og gir tilgang til all maskinvare. Brukerprogrammer kjører i brukermodus, som tillater kjøring av mange kommandoer, men gjør tilgjengelig bare en del av maskinvaren.

For å kommunisere med operativsystemet må et brukerprogram utstede et systemkall som går inn i kjernemodus og aktiverer operativsystemfunksjoner. Trappe-kommandoen (emulert avbrudd) bytter prosessorens driftsmodus fra bruker- til kjernemodus og overfører kontrollen til operativsystemet. Etter fullført arbeid går kontrollen tilbake til brukerprogrammet, til kommandoen etter systemanropet.

På datamaskiner, i tillegg til instruksjoner for å utføre systemanrop, er det avbrudd som kalles opp av maskinvare for å varsle om unntakssituasjoner, for eksempel et forsøk på å dele på null eller et flytepunktsoverløp. I alle slike tilfeller går kontrollen over til operativsystemet, som må bestemme hva som skal gjøres videre. Noen ganger må du avslutte programmet med en feilmelding, noen ganger kan du ignorere den (for eksempel hvis et tall mister betydning, kan det settes til null) eller overføre kontrollen til selve programmet for å håndtere visse typer forhold.

Basert på arrangementet av enheter i forhold til sentralprosessoren, skilles interne og eksterne enheter. Eksterne, som regel, er de fleste input/output-enheter (også kalt perifere enheter) og noen enheter designet for langsiktig datalagring.

Koordinering mellom individuelle noder og blokker utføres ved hjelp av overgangsmaskinvare-logiske enheter kalt maskinvaregrensesnitt. Standarder for maskinvaregrensesnitt i databehandling kalles protokoller - et sett med tekniske forhold som må leveres av enhetsutviklere for å lykkes med å koordinere driften med andre enheter.

Tallrike grensesnitt som finnes i arkitekturen til et hvilket som helst datasystem, kan deles inn i to store grupper: seriell og parallell. Gjennom et serielt grensesnitt overføres data sekvensielt, bit for bit, og gjennom et parallelt grensesnitt - samtidig i grupper av biter. Antall biter involvert i en melding bestemmes av grensesnittbredden; for eksempel sender åtte-bits parallelle grensesnitt én byte (8 biter) per syklus.

Parallelle grensesnitt er vanligvis mer komplekse enn serielle grensesnitt, men gir høyere ytelse. De brukes der dataoverføringshastighet er viktig: for tilkobling av utskriftsenheter, grafiske inndataenheter, enheter for opptak av data på eksterne medier, etc. Ytelsen til parallelle grensesnitt måles i byte per sekund (byte/s; KB/s; MB/s).

Enhet serielle grensesnitt lettere; som regel trenger de ikke å synkronisere driften av sende- og mottaksenhetene (derfor kalles de ofte asynkrone grensesnitt), men deres gjennomstrømning er mindre og koeffisienten nyttig handling under. Siden datautveksling gjennom serielle enheter ikke utføres av byte, men av biter, måles ytelsen deres i bits per sekund (bps, Kbps, Mbps). Til tross for den tilsynelatende enkelheten med å konvertere serielle overføringshastighetsenheter til parallelle dataoverføringshastighetsenheter ved mekanisk deling med 8, utføres ikke en slik konvertering fordi den ikke er korrekt på grunn av tilstedeværelsen av tjenestedata. Som en siste utvei, justert for tjenestedata, uttrykkes noen ganger hastigheten til serielle enheter i tegn per sekund eller i tegn per sekund (s/s), men denne verdien er ikke av teknisk, men av en referanse, forbrukerkarakter.

Serielle grensesnitt brukes til å koble til trege enheter (de enkleste utskriftsenhetene av lav kvalitet: enheter for inn- og utmating av tegn- og signalinformasjon, kontrollsensorer, kommunikasjonsenheter med lav ytelse, etc.), samt i tilfeller der det ikke er noen betydelige restriksjoner på varigheten av datautveksling (digitale kameraer).

Den andre hovedkomponenten i en datamaskin er minne. Minnesystemet er konstruert i form av et hierarki av lag (fig. 3.). Det øverste laget består av de interne registrene til sentralprosessoren. Interne registre gir lagringskapasitet på 32 x 32 bits på en 32-bits prosessor og 64 x 64 bits på en 64-bits prosessor, som er mindre enn én kilobyte i begge tilfeller. Programmer selv kan administrere registre (det vil si bestemme hva som skal lagres i dem) uten maskinvareinngrep.

Fig.3. Typisk hierarkisk struktur hukommelse

Det neste laget inneholder cache-minnet, som hovedsakelig styres av maskinvaren. RAM er delt inn i hurtigbufferlinjer, vanligvis 64 byte, med adresser fra 0 til 63 på linje null, fra 64 til 127 på linje én, etc. De mest brukte hurtigbufferlinjene er lagret i hurtigbufferminne som ligger inne i eller svært nær CPUen. Når et program trenger å lese et ord fra minnet, sjekker cache-brikken om ønsket linje er i cachen. Hvis dette er tilfelle, oppstår en effektiv tilgang til cache-minnet, forespørselen tilfredsstilles helt fra cachen, og minneforespørselen sendes ikke til bussen. En vellykket cache-tilgang tar vanligvis omtrent to klokkesykluser, mens en mislykket en resulterer i en minnetilgang med betydelig tap av tid. Cache-minne er begrenset i størrelse på grunn av den høye kostnaden. Noen maskiner har to eller til og med tre nivåer med cache, hver av dem er tregere og større enn den forrige.

Deretter kommer RAM (RAM - vilkårlig tilgangsminne, engelsk RAM, Random Access Memory - vilkårlig tilgangsminne). Dette er hovedarbeidsområdet til datasystemets lagringsenhet. Alle CPU-forespørsler som ikke kan oppfylles av hurtigbufferminnet sendes til hovedminnet for behandling. Når du kjører flere programmer på en datamaskin, er det tilrådelig å plassere komplekse programmer i RAM. Beskyttelse av programmer fra hverandre og flytting av dem i minnet realiseres ved å utstyre datamaskinen med to spesialiserte registre: basisregisteret og grenseregisteret.

I det enkleste tilfellet (fig. 4.a), når programmet begynner å fungere, lastes basisregisteret med adressen til begynnelsen av den kjørbare programmodulen, og grenseregisteret angir hvor mye den kjørbare programmodulen tar opp sammen med dataen. Når du henter en kommando fra minnet, sjekker maskinvaren programtelleren, og hvis den er mindre enn grenseregisteret, legger den til verdien av basisregisteret, og overfører summen til minnet. Når et program ønsker å lese et ord med data (for eksempel fra adresse 10000), legger maskinvaren automatisk til innholdet i basisregisteret (for eksempel 50000) til den adressen og overfører summen (60000) til minnet. Basisregisteret lar et program referere til hvilken som helst del av minnet etter adressen som er lagret i den. I tillegg hindrer grenseregisteret at programmet får tilgang til noen del av minnet etter programmet. Dermed, ved hjelp av denne ordningen, løses begge problemene: beskyttelse og bevegelse av programmer.

Som et resultat av dataverifisering og transformasjon, blir adressen generert av programmet og kalt den virtuelle adressen oversatt til en adresse som brukes av minnet og kalles den fysiske adressen. Enheten som utfører kontrollen og konverteringen kalles en minneadministrasjonsenhet eller minnebehandling (MMU, Memory Management Unit). Minnebehandlingen er plassert enten i prosessorkretsen eller nær den, men er logisk plassert mellom prosessoren og minnet.

En mer kompleks minnebehandling består av to par base- og grenseregistre. Ett par er for programtekst, det andre paret er for data. Kommandoregisteret og alle referanser til programtekst fungerer med det første registerparet; referanser til data bruker det andre registerparet. Takket være denne mekanismen blir det mulig å dele ett program mellom flere brukere mens du lagrer bare én kopi av programmet i RAM, som er ekskludert i et enkelt opplegg. Når program nr. 1 kjører, er de fire registrene plassert som vist i fig. 4 (b) til venstre, når program nr. 2 kjører - til høyre. Administrering av minnebehandling er en funksjon av operativsystemet.

Neste i minnestrukturen er den magnetiske disken (harddisken). Diskminne er to størrelsesordener billigere enn RAM per bit og større i størrelse, men tilgang til data på disken tar omtrent tre størrelsesordener lenger. Årsaken til den langsomme hastigheten til en harddisk er det faktum at stasjonen er en mekanisk struktur. Harddisken består av en eller flere metallplater som roterer med en hastighet på 5400, 7200 eller 10800 rpm (fig. 5.). Informasjon registreres på plater i form av konsentriske sirkler. Lese-/skrivehodene ved hver gitt posisjon kan lese en ring på tallerkenen kalt et spor. Sammen danner sporene for en gitt gaffelposisjon en sylinder.

Hvert spor er delt inn i et antall sektorer, typisk 512 byte per sektor. På moderne stasjoner ytre sylindre inneholder flere sektorer enn indre. Å flytte et hode fra en sylinder til en annen tar omtrent 1 ms, og å flytte til en tilfeldig sylinder tar 5 til 10 ms, avhengig av stasjonen. Når hodet er plassert over ønsket spor, må du vente til motoren roterer disken slik at den nødvendige sektoren er under hodet. Dette tar ytterligere 5 til 10 ms, avhengig av diskens rotasjonshastighet. Når en sektor er under hodet, skjer lese- eller skriveprosessen med hastigheter fra 5 MB/s (for lavhastighetsstasjoner) til 160 MB/s (for høyhastighetsstasjoner).

Det siste laget er okkupert av magnetbånd. Dette mediet ble ofte brukt til å lage sikkerhetskopier harddiskplass eller lagring store sett data. For å få tilgang til informasjon ble båndet plassert i en magnetbåndleser, deretter ble det spolet tilbake til den forespurte informasjonsblokken. Hele prosessen varte i minutter. Minnehierarkiet som er beskrevet er typisk, men i noen utførelsesformer kan ikke alle nivåer eller andre typer av dem være tilstede (for eksempel en optisk disk). I alle fall, når du beveger deg gjennom hierarkiet fra topp til bunn, øker tilfeldig tilgangstiden betydelig fra enhet til enhet, og kapasiteten vokser tilsvarende tilgangstid.

I tillegg til typene beskrevet ovenfor, har mange datamaskiner skrivebeskyttet tilfeldig tilgangsminne (ROM, Read Only Memory), som ikke mister innholdet når datasystemet slås av. ROM-en programmeres under produksjon og innholdet kan ikke endres etter det. På noen datamaskiner inneholder ROM-en oppstartsprogrammer som brukes til å starte datamaskinen og noen I/O-kort for å kontrollere enheter på lavt nivå.

Elektrisk slettbar ROM (EEPROM, Electrically Erasable ROM) og flash RAM (flash RAM) er også ikke-flyktige, men i motsetning til ROM, kan innholdet deres slettes og skrives om. Det tar imidlertid mye lengre tid å skrive data til dem enn å skrive til RAM. Derfor brukes de på nøyaktig samme måte som ROM-er.

Det finnes en annen type minne - CMOS-minne, som er flyktig og brukes til å lagre gjeldende dato og klokkeslett. Minnet drives av et batteri innebygd i datamaskinen og kan inneholde konfigurasjonsparametere (for eksempel som indikerer hvilken harddisk du skal starte opp fra).

3. I/O-enheter

Andre enheter som samhandler tett med operativsystemet er inngangs-/utdataenheter, som består av to deler: kontrolleren og selve enheten. Kontrolleren er en mikrokrets (brikkesett) på et kort som settes inn i en kontakt, som mottar og utfører kommandoer fra operativsystemet.

For eksempel mottar kontrolleren en kommando for å lese en bestemt sektor fra disken. For å utføre kommandoen konverterer kontrolleren det lineære nummeret til skivesektoren til nummeret på sylinderen, sektoren og hodet. Konverteringsoperasjonen kompliseres av det faktum at de ytre sylindrene kan ha flere sektorer enn de indre. Kontrolleren bestemmer da hvilken sylinder som er plassert over dette øyeblikket hodet, og gir en sekvens av pulser for å flytte hodet det nødvendige antall sylindre. Deretter venter kontrolleren på at disken skal rotere, og plasserer den nødvendige sektoren under hodet. Deretter prosessene med å lese og lagre biter når de kommer fra disken, prosessene med å fjerne overskriften og beregne sjekksum. Deretter samler kontrolleren de mottatte bitene til ord og lagrer dem i minnet. For å utføre dette arbeidet inneholder kontrollerene innebygd firmware.

Selve I/O-enheten har et enkelt grensesnitt som må være i samsvar med den enhetlige IDE-standarden (IDE, Integrated Drive Electronics - innebygd stasjonsgrensesnitt). Siden enhetsgrensesnittet er skjult av kontrolleren, ser operativsystemet bare kontrollergrensesnittet, som kan avvike fra enhetsgrensesnittet.

Siden kontrollere for forskjellige enheter I/O-enheter er forskjellige fra hverandre, og for å administrere dem trenger du passende programvare - drivere. Derfor må hver kontrollerprodusent levere drivere for kontrollerene den støtter. operativsystemer. Det er tre måter å installere driveren på i operativsystemet:

Bygg opp kjernen på nytt med en ny driver og start deretter systemet på nytt, som er hvor mange UNIX-systemer fungerer;

Opprett en oppføring i filen som er inkludert i operativsystemet som krever en driver og start systemet på nytt; under den første oppstarten vil operativsystemet finne nødvendig driver og last det ned; Slik fungerer Windows-operativsystemet;

Godta nye drivere og installer dem raskt ved hjelp av operativsystemet mens det kjører; Denne metoden brukes av flyttbare USB- og IEEE 1394-busser, som alltid krever dynamisk lastede drivere.

Det er visse registre for kommunikasjon med hver kontroller. For eksempel kan en minimal diskkontroller ha registre for å spesifisere diskadressen, minneadressen, sektornummeret og operasjonsretningen (lese eller skrive). For å aktivere kontrolleren mottar sjåføren en kommando fra operativsystemet, og oversetter den deretter til verdier som er egnet for skriving til enhetsregistre.

På noen datamaskiner er I/O-enhetsregistre tilordnet operativsystemets adresserom slik at de kan leses eller skrives som vanlige ord i minnet. Registeradresser plasseres i RAM utenfor rekkevidden til brukerprogrammer for å beskytte brukerprogrammer mot maskinvaren (for eksempel ved å bruke base- og grenseregistrene).

På andre datamaskiner er enhetsregistre plassert i spesielle I/O-porter, og hvert register har sin egen portadresse. På slike maskiner er IN- og UT-kommandoer tilgjengelige i privilegert modus, som lar drivere lese og skrive registre. Det første opplegget eliminerer behovet for spesielle I/O-instruksjoner, men bruker noe adresserom. Den andre ordningen påvirker ikke adresseområdet, men krever spesielle kommandoer. Begge ordningene er mye brukt. Datainn- og utdata utføres på tre måter.

1. Brukerprogrammet sender ut en systemforespørsel, som kjernen oversetter til et prosedyrekall for den tilsvarende driveren. Driveren starter deretter I/O-prosessen. I løpet av denne tiden utfører sjåføren en veldig kort programsløyfe, og spør hele tiden beredskapen til enheten den jobber med (vanligvis er det en bit som indikerer at enheten fortsatt er opptatt). Når I/O-operasjonen er fullført, plasserer driveren dataene der de er nødvendige og går tilbake til den opprinnelige tilstanden. Operativsystemet returnerer deretter kontrollen til programmet som foretok anropet. Denne metoden kalles klar vente eller aktiv vente og har én ulempe: prosessoren må polle enheten til den fullfører arbeidet.

2. Driveren starter enheten og ber den om å gi et avbrudd når I/O er fullført. Etter dette returnerer sjåføren dataene, operativsystemet blokkerer anropsprogrammet, om nødvendig, og begynner å utføre andre oppgaver. Når kontrolleren oppdager slutten av en dataoverføring, genererer den et avbrudd for å signalisere at operasjonen er fullført. Mekanismen for å implementere input-output skjer som følger (fig. 6.a):

Trinn 1: sjåføren sender kommandoen til kontrolleren, skriver informasjon til enhetsregistrene; Kontrolleren starter I/O-enheten.

Trinn 2: Etter å ha fullført lesing eller skriving, sender kontrolleren et signal til avbruddskontrollerbrikken.

Trinn 3: Hvis avbruddskontrolleren er klar til å motta et avbrudd, sender den et signal til en spesifikk pin på CPUen.

Trinn 4: Avbruddskontrolleren plasserer I/O-enhetsnummeret på bussen slik at CPU kan lese det og vite hvilken enhet som har fullført arbeidet. Når CPU mottar et avbrudd, blir innholdet i programtelleren (PC) og prosessorstatusordet (PSW) skjøvet inn på gjeldende stabel, og prosessoren bytter til privilegert modus (operativsystem kjernemodus). I/O-enhetsnummeret kan brukes som en indeks til en del av minnet som brukes til å finne adressen til avbruddsbehandleren av denne enheten. Denne delen av minnet kalles avbruddsvektoren. Når avbruddsbehandleren (den delen av enhetsdriveren som sendte avbruddet) begynner arbeidet, fjerner den programtelleren og prosessorstatusordet som ligger på stabelen, lagrer dem og spør enheten om informasjon om statusen. Etter at avbruddsbehandlingen er fullført, går kontrollen tilbake til brukerprogrammet som kjørte før, til kommandoen hvis utførelse ennå ikke er fullført (fig. 6 b).

3.For input og output av informasjon brukes en direkte minnetilgangskontroller (DMA, Direct Memory Access) som styrer flyten av biter mellom RAM og noen kontrollere uten konstant intervensjon fra sentralprosessoren. Prosessoren kaller opp DMA-brikken, forteller den hvor mange byte som skal overføres, oppgir enhets- og minneadresser og retningen for dataoverføring, og lar brikken gjøre sin egen greie. Etter fullføring utsteder DMA et avbrudd, som håndteres deretter.

Avbrudd kan oppstå på upassende tidspunkt, for eksempel mens et annet avbrudd behandles. Av denne grunn har CPU-en muligheten til å deaktivere avbrudd og aktivere dem senere. Mens avbrudd er deaktivert, fortsetter alle enheter som har fullført arbeidet å sende signalene sine, men prosessoren blir ikke avbrutt før avbrudd er aktivert. Hvis flere enheter avsluttes samtidig mens avbrudd er deaktivert, bestemmer avbruddskontrolleren hvilken som skal behandles først, vanligvis basert på de statiske prioriteringene som er tildelt hver enhet.

Pentium-datasystemet har åtte busser (cachebuss, lokalbuss, minnebuss, PCI, SCSI, USB, IDE og ISA). Hver buss har sin egen dataoverføringshastighet og funksjoner. Operativsystemet må inneholde informasjon om alle busser for å administrere datamaskinen og konfigurere den.

ISA-buss (Industry Standard Architecture) - dukket først opp på IBM PC/AT-datamaskiner, opererer på 8,33 MHz og kan overføre to byte per klokkesyklus med en maksimal hastighet på 16,67 MB/s; den er inkludert i systemet for bakoverkompatibilitet med eldre trege I/O-kort.

PCI-buss (Peripheral Component Interconnect) - opprettet av Intel som en etterfølger til ISA-bussen, kan operere med en frekvens på 66 MHz og overføre 8 byte per klokke med en hastighet på 528 MB/s. For tiden PCI busser bruker de fleste høyhastighets I/O-enheter, så vel som datamaskiner med ikke-Intel-prosessorer, siden mange I/O-kort er kompatible med det.

Den lokale bussen i Pentium-systemet brukes av CPU-en til å overføre data til PCI-brobrikken, som får tilgang til minnet på en dedikert minnebuss, ofte på 100 MHz.

Bufferbussen brukes til å koble til ekstern cache, siden Pentium-systemer har en cache på første nivå (L1 cache) innebygd i prosessoren og en stor ekstern cache på andre nivå (L2 cache).

IDE-bussen brukes til å koble til eksterne enheter: disker og CD-ROM-lesere. Bussen er en etterkommer av PC/AT-diskkontrollergrensesnittet og er for tiden standard på alle systemer basert på Pentium-prosessorer.

USB-buss (universell Seriell buss, universal seriell buss) er designet for å koble trege inngangs-/utgangsenheter (tastatur, mus) til en datamaskin. Den bruker en liten fire-leder-kontakt med to ledninger som leverer strøm til USB-enheter.

USB-bussen er en sentralisert buss som vertsenheten poller I/O-enheter over hvert millisekund for å se om de har data. Den kan håndtere datanedlastinger med en hastighet på 1,5 MB/s. Alle USB-enheter bruker samme driver, slik at de kan kobles til systemet uten å starte det på nytt.

SCSI-bussen (Small Computer System Interface) er en høyytelsesbuss som brukes til raske disker, skannere og andre enheter som krever betydelig båndbredde. Ytelsen når 160 MB/s. SCSI-bussen brukes på Macintosh-systemer og er populær på UNIX-systemer og andre systemer basert på Intel-prosessorer.

IEEE 1394-bussen (FireWire) er en bit-seriell buss og støtter pakkedataoverføring med hastigheter på opptil 50 MB/s. Denne egenskapen lar deg koble bærbare digitale videokameraer og andre multimedieenheter til datamaskinen. I motsetning til et dekk USB-buss IEEE 1394 har ikke en sentral kontroller.

Operativsystemet må kunne gjenkjenne maskinvarekomponenter og kunne konfigurere dem. Dette kravet førte Intel og Microsoft for å utvikle et personlig datamaskinsystem kalt plug and play. Før dette systemet hadde hvert I/O-kort faste I/O-registeradresser og et avbruddsforespørselsnivå. For eksempel brukte tastaturet avbrudd 1 og adresser i området 0x60 til 0x64; Diskettkontrolleren brukte avbrudd 6 og adresser 0x3F0 til 0x3F7; skriveren brukte avbrudd 7 og adresser fra 0x378 til 0x37A.

Hvis brukeren har kjøpt lydkort og modem, skjedde det at disse enhetene ved et uhell brukte det samme avbruddet. Det var en konflikt, så enhetene kunne ikke fungere sammen. Mulig løsning Det var å bygge et sett med DIP-svitsjer (jumpere) i hvert kort og konfigurere hvert kort slik at portadressene og avbruddsnumrene til forskjellige enheter ikke kom i konflikt med hverandre.

Plug and play lar operativsystemet automatisk samle inn informasjon om I/O-enheter, sentralt tildele avbruddsnivåer og I/O-adresser, og deretter kommunisere denne informasjonen til hvert kort. Dette systemet kjører på Pentium-datamaskiner. Hver datamaskin med Pentium prosessor inneholder hovedkortet som programmet er plassert på - BIOS-systemet (Basic Input Output System). BIOS inneholder I/O-programmer på lavt nivå, inkludert prosedyrer for lesing fra tastaturet, for visning av informasjon på skjermen, for I/O-data fra disken, etc.

Når datamaskinen starter opp, starter BIOS-systemet, som sjekker mengden RAM som er installert i systemet, tilkoblingen og riktig drift av tastaturet og andre hovedenheter. Deretter sjekker BIOS ISA- og PCI-bussene og alle enheter som er koblet til dem. Noen av disse enhetene er tradisjonelle (pre-plug and play). De har faste avbruddsnivåer og I/O-portadresse (for eksempel innstilt med brytere eller jumpere på I/O-kortet og kan ikke endres av operativsystemet). Disse enhetene registreres, deretter registreres plug and play-enheter. Hvis de tilstedeværende enhetene er forskjellige fra de som var til stede under siste oppstart, konfigureres nye enheter.

BIOS bestemmer deretter hvilken enhet den skal starte opp fra ved å prøve hver av listene som er lagret i CMOS-minnet etter tur. Brukeren kan endre denne listen ved å gå inn i BIOS-konfigurasjonsprogrammet umiddelbart etter oppstart. Vanligvis vil den først forsøke å starte opp fra disketten. Hvis dette mislykkes, prøves CD-en. Hvis datamaskinen din ikke har både en diskett og en CD, starter systemet opp fra harddisken. Den første sektoren leses inn i minnet fra oppstartsenheten og kjøres. Denne sektoren inneholder et program som sjekker partisjonstabellen på slutten av oppstartssektoren for å finne ut hvilken partisjon som er aktiv. Den sekundære oppstartslasteren leses deretter fra samme partisjon. Den leser operativsystemet fra den aktive partisjonen og starter den.

Operativsystemet spør deretter BIOS for å få informasjon om datamaskinens konfigurasjon og sjekker om det finnes en driver for hver enhet. Hvis driveren mangler, ber operativsystemet brukeren om å sette inn en diskett eller CD som inneholder driveren (disse diskene er levert av enhetsprodusenten). Hvis alle driverne er på plass, laster operativsystemet dem inn i kjernen. Den initialiserer deretter drivertabellene, oppretter nødvendige bakgrunnsprosesser og starter passordregistreringsprogrammet eller GUI på hver terminal.

5. Historie om utviklingen av datateknologi

Alle IBM-kompatible personlige datamaskiner er utstyrt med Intel-kompatible prosessorer. Historien om utviklingen av mikroprosessorer til Intel-familien er kort som følger. Intels første universelle mikroprosessor dukket opp i 1970. Den ble kalt Intel 4004, var fire-bit og hadde muligheten til å legge inn/ut og behandle fire-bits ord. Hastigheten var 8000 operasjoner per sekund. Intel 4004-mikroprosessoren ble designet for bruk i programmerbare kalkulatorer med en minnestørrelse på 4 KB.

Tre år senere ga Intel ut 8080-prosessoren, som allerede kunne utføre 16-bits aritmetiske operasjoner, hadde en 16-bits adressebuss og derfor kunne adressere opptil 64 KB minne (2.516 0 = 65536). 1978 ble preget av utgivelsen av 8086-prosessoren med en ordstørrelse på 16 bits (to byte), en 20-bits buss og kunne operere med 1 MB minne (2 520 0 = 1048576, eller 1024 KB), delt inn i blokker (segmenter) på 64 KB hver. 8086-prosessoren var inkludert i datamaskiner som var kompatible med IBM PC og IBM PC/XT. Det neste store trinnet i utviklingen av nye mikroprosessorer var 8028b-prosessoren, som dukket opp i 1982. Den hadde en 24-bits adressebuss, kunne håndtere 16 megabyte adresseplass og ble installert på datamaskiner som var kompatible med IBM PC/AT. I oktober 1985 ble 80386DX utgitt med en 32-bits adressebuss (maksimal adresseplass 4 GB), og i juni 1988 ble 80386SX utgitt, som var billigere enn 80386DX og hadde en 24-bits adressebuss. Så i april 1989 dukket 80486DX-mikroprosessoren opp, og i mai 1993 dukket den første versjonen av Pentium-prosessoren opp (begge med en 32-bits adressebuss).

I mai 1995 i Moskva på den internasjonale utstillingen Comtec-95, presenterte Intel ny prosessor- P6.

Et av de viktigste målene som ble satt under utviklingen av P6 var å doble ytelsen til Pentium-prosessoren. Samtidig vil produksjonen av de første versjonene av P6 utføres i henhold til den allerede feilsøkte "Intel" og brukes i produksjonen siste versjoner Pentium halvlederteknologi (O,6 mikron, 3,3 V).

Bruk av samme produksjonsprosess sikrer at P6 kan masseproduseres uten store problemer. Dette betyr imidlertid at dobling av ytelsen kun oppnås gjennom omfattende forbedringer i prosessormikroarkitekturen. P6-mikroarkitekturen ble designet med en nøye gjennomtenkt og innstilt kombinasjon av ulike arkitektoniske teknikker. Noen av dem ble tidligere testet i prosessorer for store datamaskiner, noen ble foreslått av akademiske institusjoner, og resten ble utviklet av Intel-ingeniører. Denne unike kombinasjonen av arkitektoniske funksjoner, som Intel omtaler som "dynamisk utførelse", tillot de første P6-matrisene å overgå opprinnelig planlagte ytelsesnivåer.

Sammenlignet med alternative Intel-prosessorer i x86-familien, viser det seg at P6-mikroarkitekturen har mye til felles med mikroarkitekturen til NexGens Nx586 og AMDs K5-prosessorer, og, selv om det er i mindre grad, med Cyrix sin M1. Denne fellesheten forklares av det faktum at ingeniører fra fire selskaper løste det samme problemet: introdusere elementer av RISC-teknologi samtidig som kompatibiliteten ble opprettholdt med Intel x86 CISC-arkitekturen.

To krystaller i en pakke

Den største fordelen og unike egenskapen til P6 er dens posisjonering i samme pakke med prosessoren er det et sekundært statisk cache-minne på 256 KB i størrelse, koblet til prosessoren med en spesielt dedikert buss. Denne utformingen bør betydelig forenkle utformingen av P6-baserte systemer. P6 er den første mikroprosessoren designet for masseproduksjon som inneholder to brikker i én pakke.

CPU-dysen i P6 inneholder 5,5 millioner transistorer; L2 cache krystall - 15,5 millioner. Til sammenligning inkluderte den siste Pentium-modellen rundt 3,3 millioner transistorer, og L2-cachen ble implementert ved hjelp av et eksternt sett med minnedyser.

Et så stort antall transistorer i cachen forklares av dens statiske natur. P6s statiske minne bruker seks transistorer til å lagre én bit, mens dynamisk minne bare trenger én transistor per bit. Statisk minne er raskere, men dyrere. Selv om antallet transistorer på en brikke med sekundær cache er tre ganger større enn på en prosessorbrikke, er de fysiske dimensjonene til cachen mindre: 202 kvadratmillimeter mot 306 for prosessoren. Begge krystallene er innelukket i en keramisk pakke med 387 kontakter ("dual cavity pin-drid array"). Begge dysene er produsert med samme teknologi (0,6 µm, 4-lags metall-BiCMOS, 2,9 V). Estimert maksimalt strømforbruk: 20 W ved 133 MHz.

Den første grunnen til å kombinere prosessor og sekundær cache i én pakke er å lette design og produksjon av høyytelses P6-baserte systemer. Ytelsen til et datasystem bygget på rask prosessor, avhenger veldig av finjusteringen av prosessormiljøbrikkene, spesielt den sekundære cachen. Ikke alle datamaskinprodusenter har råd til riktig forskning. I P6 er den sekundære cachen allerede konfigurert optimalt for prosessoren, noe som forenkler utformingen av hovedkortet.

Den andre grunnen til sammenslåingen er å forbedre produktiviteten. CPU-en på andre nivå er koblet til prosessoren med en spesielt dedikert 64-bit bred buss og opererer med samme klokkefrekvens som prosessoren.

De første Pentium-prosessorene på 60 og 66 MHz fikk tilgang til den sekundære cachen over en 64-bits buss med samme klokkehastighet. Etter hvert som Pentium-klokkehastighetene økte, ble det imidlertid for vanskelig og dyrt for designere å opprettholde slike klokkehastigheter på hovedkortet. Derfor begynte man å bruke frekvensdelere. For eksempel, for en 100 MHz Pentium, opererer den eksterne bussen med en frekvens på 66 MHz (for en 90 MHz Pentium er den henholdsvis 60 MHz). Pentium bruker denne bussen både for å få tilgang til den sekundære cachen og for å få tilgang til hovedminne og andre enheter, for eksempel PCI-brikkesettet.

Å bruke en dedikert buss for å få tilgang til den sekundære cachen forbedrer systemytelsen. For det første oppnår dette fullstendig synkronisering av prosessor- og busshastigheter; for det andre elimineres konkurranse med andre I/O-operasjoner og tilhørende forsinkelser. L2 cache-bussen er helt atskilt fra den eksterne bussen, gjennom hvilken minne og eksterne enheter. Den eksterne 64-bits bussen kan operere med en halv, en tredjedel eller en fjerdedel av prosessorens hastighet, mens den sekundære hurtigbufferbussen opererer uavhengig med full hastighet.

Å kombinere prosessoren og sekundærbufferen til en enkelt pakke og kommunisere dem over en dedikert buss er et skritt mot de ytelsesforbedrende teknikkene som brukes i de kraftigste RISC-prosessorene. I Alpha 21164-prosessoren fra Digital er altså andrenivåbufferen på 96 kB plassert i prosessorkjernen, som primærbufferen. Dette gir svært høy hurtigbufferytelse ved å øke antall transistorer på brikken til 9,3 millioner. Ytelsen til Alpha 21164 er 330 SPECint92 ved 300 MHz. P6s ytelse er lavere (Intel anslår 200 SPECint92 ved 133 MHz), men P6 gir det beste kostnads/ytelsesforholdet for sitt potensielle marked.

Når man vurderer kostnad/ytelse-forholdet, er det verdt å vurdere at selv om P6 kan være dyrere enn konkurrentene, må de fleste andre prosessorer være omgitt av et ekstra sett med minnebrikker og en cache-kontroller. I tillegg, for å oppnå sammenlignbar hurtigbufferytelse, må andre prosessorer bruke større hurtigbuffere enn 256 KB.

Intel tilbyr vanligvis mange varianter av sine prosessorer. Dette gjøres for å tilfredsstille de varierte kravene til systemdesignere og gi mindre plass til konkurrerende modeller. Derfor kan vi anta at like etter produksjonsstart av P6, både modifikasjoner med et økt volum sekundært cache-minne, og billigere modifikasjoner med en ekstern plassering av den sekundære cachen, men med en beholdt dedikert buss mellom den sekundære cachen og prosessoren, vises.

Pentium som utgangspunkt

Pentium-prosessor med sin pipeline og superskalar arkitektur har oppnådd imponerende ytelsesnivåer. Pentium inneholder to 5-trinns rørledninger som kan kjøre parallelt og utføre to heltallsinstruksjoner per maskinklokkesyklus. I dette tilfellet kan bare et par kommandoer utføres parallelt, følge hverandre i programmet og tilfredsstille visse regler, for eksempel fraværet av registeravhengigheter av typen "skriv etter lesing".

I P6 ble det foretatt en overgang til en enkelt 12-trinns rørledning for å øke gjennomstrømningen. Å øke antall etapper fører til en reduksjon i arbeidet som utføres på hvert trinn, og som et resultat til en reduksjon i tiden et team bruker på hvert trinn med 33 prosent sammenlignet med Pentium. Dette betyr at å bruke den samme teknologien som brukes til å produsere en P6 som en 100 MHz Pentium vil resultere i en P6 klokket til 133 MHz.

Kraften til Pentiums superskalararkitektur, med dens evne til å utføre to instruksjoner per klokke, ville være vanskelig å slå uten en helt ny tilnærming. P6s nye tilnærming eliminerer det rigide forholdet mellom de tradisjonelle «hente»- og «utfør»-fasene, der rekkefølgen av kommandoer gjennom disse to fasene tilsvarer rekkefølgen av kommandoer i programmet.

Den nye tilnærmingen innebærer bruk av den såkalte kommandobasen og ny effektive metoder forutsi den fremtidige oppførselen til programmet. I dette tilfellet erstattes den tradisjonelle «utførelse»-fasen med to: «ekspedisjon/utførelse» og «tilbakeføring». Som et resultat kan kommandoer begynne å kjøre i hvilken som helst rekkefølge, men fullføre utførelsen i samsvar med den opprinnelige rekkefølgen i programmet. P6-kjernen er implementert som tre uavhengige enheter som samhandler gjennom en kommandopool (fig. 1).

Hovedproblemet med å forbedre produktiviteten

Beslutningen om å organisere P6 som tre uavhengige enheter som samhandler via en instruksjonspool ble tatt etter en grundig analyse av faktorene som begrenser ytelsen til moderne mikroprosessorer. Et grunnleggende faktum, sant for Pentium og mange andre prosessorer, er at prosessorens kraft ikke brukes til det fulle når du kjører virkelige programmer.

Mens prosessorhastigheten har økt minst 10 ganger de siste 10 årene, har tilgangstidene for hovedminnet gått ned med bare 60 prosent. Denne økende forsinkelsen i minnehastighet i forhold til prosessorhastighet var det grunnleggende problemet som måtte løses ved utformingen av P6.

En mulig tilnærming til å løse dette problemet er å skifte fokus til utvikling av høyytelseskomponenter rundt prosessoren. Imidlertid vil masseproduksjon av systemer som inkluderer både en høyytelsesprosessor og høyhastighets spesialiserte miljøbrikker bli for dyrt.

En mulig brute force-løsning kan være å øke størrelsen på L2-hurtigbufferen for å redusere prosentandelen ganger cachen savner de nødvendige dataene.

Denne løsningen er effektiv, men også ekstremt kostbar, spesielt med tanke på dagens hastighetskrav for L2-cache-komponenter. P6 ble designet med tanke på effektiv implementering av et komplett datasystem, og det var påkrevd at høy ytelse av hele systemet ble oppnådd ved å bruke et lavkostminneundersystem.

Dermed, P6s kombinasjon av arkitektoniske teknikker som forbedret grenprediksjon (den neste sekvensen av kommandoer er nesten alltid riktig bestemt), dataflytanalyse (den optimale rekkefølgen for kommandoutførelse bestemmes) og lookahead-utførelse (den forutsagte sekvensen av kommandoer utføres uten nedetid i optimal rekkefølge) doblet ytelsen i forhold til Pentium ved bruk av samme produksjonsteknologi. Denne kombinasjonen av metoder kalles dynamisk utførelse.

For tiden utvikler Intel en ny 0,35 mikron produksjonsteknologi, som vil gjøre det mulig å produsere P6-prosessorer med en kjerneklokkehastighet på over 200 MHz.

P6 som en plattform for å bygge kraftige servere

Blant de mest betydningsfulle trender innen datautvikling de siste årene kan fremheves som den økende bruken av systemer basert på x86-familieprosessorer som applikasjonsservere, og den økende rollen til Intel som leverandør av ikke-prosessorteknologier, som busser, nettverksteknologier, videokomprimering, flashminne og systemadministrasjonsverktøy.

Utgivelsen av P6-prosessoren fortsetter Intels policy om å bringe funksjoner som tidligere bare fantes i dyrere datamaskiner til massemarkedet. Paritetskontroll er gitt for de interne P6-registrene, og 64-bits bussen som forbinder prosessorkjernen og cachen på andre nivå er utstyrt med feildeteksjons- og korrigeringsverktøy. Nye diagnosefunksjoner innebygd i P6 gjør det mulig for produsenter å designe mer pålitelige systemer. P6 gir muligheten til å skaffe informasjon gjennom prosessorkontakter eller ved hjelp av programvare om mer enn 100 prosessorvariabler eller hendelser som forekommer i den, for eksempel fravær av data i hurtigbufferen, innholdet i registre, utseendet til selvmodifiserende kode og så videre. Operativsystemet og andre programmer kan lese denne informasjonen for å bestemme tilstanden til prosessoren. P6 har også forbedret støtte for sjekkpunkter, noe som betyr at datamaskinen kan rulles tilbake til en tidligere registrert tilstand hvis det oppstår en feil.

Lignende dokumenter

Datateknologi dukket opp for lenge siden, siden behovet for ulike typer beregninger eksisterte ved begynnelsen av sivilisasjonens utvikling. Rask utvikling av datateknologi. Opprettelse av de første PC-ene, mini-datamaskiner siden 80-tallet av det tjuende århundre.

sammendrag, lagt til 25.09.2008


Kjennetegn på tekniske og forebyggende vedlikeholdssystemer for datautstyr. Diagnoseprogrammer for operativsystemer. Sammenheng mellom automatiserte kontrollsystemer. Beskytte datamaskinen mot ytre negative påvirkninger.

abstrakt, lagt til 25.03.2015


Utvikling av et informasjons- og analysesystem for å analysere og optimalisere konfigurasjonen av datautstyr. Struktur av automatisert kontroll av datautstyr. Programvare, begrunnelse for den økonomiske effektiviteten til prosjektet.

avhandling, lagt til 20.05.2013


Det manuelle stadiet for utvikling av datateknologi. Posisjonsnummersystem. Utvikling av mekanikk på 1600-tallet. Elektromekanisk utviklingsstadium av datateknologi. Femte generasjons datamaskiner. Alternativer og særegne trekk superdatamaskin.

kursarbeid, lagt til 18.04.2012


Strukturen og prinsippet for drift av en personlig datamaskin (PC). Diagnostikk av PC-ytelse og identifisering av feil. Oppgaver Vedlikehold datafasiliteter. Utvikling av metoder for å holde utstyret i bruk.

kursarbeid, lagt til 13.07.2011


Studie av utenlandsk og innenlandsk praksis i utviklingen av datateknologi, samt utsikter for utvikling av datamaskiner i nær fremtid. Teknologier for bruk av datamaskiner. Stadier av utviklingen av dataindustrien i vårt land. Slå sammen PC og kommunikasjon.

kursarbeid, lagt til 27.04.2013


Klassifisering av designprosedyrer. Historie om syntesen av datateknologi og ingeniørdesign. Funksjoner til datastøttede designsystemer, deres programvare. Funksjoner ved bruk av tredimensjonale skannere, manipulatorer og skrivere.

sammendrag, lagt til 25.12.2012


Automatisering av databehandling. Datavitenskap og dens praktiske resultater. Historien om etableringen av digital datateknologi. Elektromekaniske datamaskiner. Bruk vakuum-rør og datamaskiner av første, tredje og fjerde generasjon.

avhandling, lagt til 23.06.2009


Konseptet og egenskapene til en personlig datamaskin, dens hoveddeler og deres formål. Informatikkundervisningsverktøy og funksjoner for organisering av arbeid i et informatikkklasserom. Utstyr av arbeidsplasser og anvendelse av programvare.

sammendrag, lagt til 07.09.2012


Sammensetningen av et datasystem er konfigurasjonen av datamaskinen, dens maskinvare og programvare. Enheter og instrumenter som utgjør maskinvarekonfigurasjonen til en personlig datamaskin. Hovedminne, I/O-porter, periferadapter.