Compoziția tehnologiei computerului. Caracteristicile de bază ale tehnologiei informatice. Istoria dezvoltării tehnologiei informatice

Conceptul de tehnologie informatică este un ansamblu de mijloace tehnice și matematice, metode și tehnici utilizate pentru mecanizarea și automatizarea proceselor de calcul și prelucrare a informațiilor. Baza mijloacelor tehnice ale calculului modern constă în calculatoare electronice (calculatoare), dispozitive de intrare, ieșire, prezentare și transmisie (scanere, imprimante, modemuri, monitoare, plottere, tastaturi, unități de bandă magnetică și de disc etc.), laptopuri, microcalculatoare, caiete electronice etc.

Un computer personal este un desktop sau un microcomputer portabil cu un singur utilizator care îndeplinește cerințele de accesibilitate și universalitate universale.

Baza unui computer personal este un microprocesor. Dezvoltarea tehnologiei și tehnologiei microprocesoarelor a determinat schimbarea generațiilor de PC-uri:

Generația 1 (1975 – 1980) – bazată pe MP de 8 biți;

A 2-a generație (1981 – 1985) – bazată pe MP pe 16 biți;

Generația a 3-a (1986 – 1992) – bazată pe MP pe 32 de biți;

Generația a 4-a (din 1993) – bazată pe MP pe 64 de biți.

Astăzi lumea computerelor este în pragul unei revoluții: procesoare cu tranzistori de nouă generație și puternice cipuri mobile va crește performanța laptopurilor, tabletelor și smartphone-urilor cu un ordin de mărime.

Elementele de prelucrare care măsoară 10 și 12 nm vor schimba complet lumea computerelor în anul viitor: grosimea lor este de 10.000 de ori mai mică decât un păr uman (100.000 nm), iar diametrul lor este apropiat de atomii de siliciu (0,3 nm).

Principalii producători de microprocesoare pentru PC-uri în prezent sunt încă:

Intel este un pionier în crearea și producerea de procesoare moderne. Astăzi, cele mai populare PC-uri de pe piața scumpă de calculatoare sunt PC-urile cu procesoare bazate pe arhitectură multi-core. Intel core.

În aprilie 2012, Intel a introdus cea de-a treia generație a familiei de procesoare Intel® Core™ cu patru nuclee, disponibilă în sisteme desktop PC-uri all-in-one de calitate profesională și mobile și subțiri, care dispun de primele cipuri de 22nm din lume care utilizează tranzistori 3D Tri-Gate.

AMD (Advanced Micro Deviced) este cel mai real concurent al Intel. Până de curând, a ocupat o nișă pe piața calculatoarelor cu procesoare ieftine, dar rapide, destinate în principal calculatoarelor și upgrade-urilor ieftine.

Odată cu crearea în 1999 a procesoarelor Athlon, procesoarelor Thunderbird, Polamino, Thoroughbred, Barton, iar după 2003, a procesoarelor din seria K8, a început să concureze serios cu Intel. Astăzi, ambele companii produc un produs de bună calitate, care poate satisface nevoile aproape oricăror utilizatori pretențioși.

În prezent, aproximativ 85% dintre calculatoarele personale sunt produse pe baza acestor procesoare. În funcție de scopul lor, acestea pot fi împărțite în trei grupuri:

Menaj, destinat consumului de masă și având cea mai simplă configurație de bază;

Scop general, destinat soluționării problemelor științifice, tehnice, economice și de altă natură și instruirii. Această clasă este cea mai răspândită și este deservită, de regulă, de utilizatori neprofesioniști;

Profesionist utilizat în domeniul științific pentru a rezolva probleme complexe de informare și producție. Acestea au caracteristici tehnice ridicate și sunt deservite de utilizatori profesioniști.

În plus, conform designului lor, PC-urile sunt împărțite în:

Calculatoare LAPTOP (computer „laptop”). Într-un laptop, tastatura și unitatea de sistem sunt realizate într-o singură carcasă, care este închisă deasupra cu un capac cu un afișaj LCD. Majoritatea modelelor nu diferă în bine în parametrii lor tehnici și au afișaje monocrome;

CAIET („caiete”). Ultimele modele au parametri tehnici destul de înalți, comparabili cu PC-urile de uz general ( Procesoare de bază i7-3612QM, video până la 6144 Mb, hard disk-uri – HDD peste 600 GB sau SSD până la 256 GB;

ULTRABUK (English Ultrabook) este un laptop ultra-subțire și ușor, cu dimensiuni și greutate și mai mici în comparație cu subnotebook-urile convenționale, dar în același timp - majoritatea trăsăturilor caracteristice ale unui laptop cu drepturi depline. Termenul a început să se răspândească pe scară largă în 2011, după ce Intel Corporation a prezentat o nouă clasă de PC-uri mobile - ultrabook-uri, un concept de la Intel și Apple, dezvoltat pe baza celui lansat în 2008. Laptop Apple MacBook Air. Ultrabook-urile sunt mai mici decât laptopurile obișnuite, dar puțin mai mari decât netbook-urile. Sunt echipate cu un mic afișaj cu cristale lichide de la 11 la 13,3 inci, sunt compacte - grosime de până la 20 mm și cântăresc până la 2 kg. Datorită dimensiunilor reduse, ultrabook-urile au puține porturi externe și majoritatea nu au o unitate DVD.

Un netbook este un laptop cu performanțe relativ scăzute, conceput în primul rând pentru a accesa Internetul și a lucra cu aplicații de birou. Are o diagonală mică a ecranului de 7-12 inci, consum redus de energie, greutate redusă și cost relativ scăzut.

Principiul de funcționare al computerelor moderne poate fi descris prin următorul algoritm:

eu. Inițializare

După pornirea computerului, încărcarea sistemului de operare și a programului necesar, contorului programului i se atribuie o valoare inițială egală cu adresa primei comenzi a acestui program.

II. Selectarea echipei

CPU efectuează operația de citire a unei comenzi din memorie. Conținutul contorului programului este folosit ca adresă a celulei de memorie.

III. Interpretați comenzile și creșteți contorul programului

Conținutul celulei de memorie citită este interpretat de CPU ca o comandă și plasat în registrul de comenzi. Unitatea de control începe să interpreteze comanda. Pe baza câmpului de cod de operare de la primul cuvânt al comenzii, CU-ul determină lungimea acesteia și, dacă este necesar, organizează operații suplimentare de citire până când întreaga comandă este citită de CPU. Lungimea comenzii este adăugată la conținutul contorului programului, iar când comanda este citită complet, adresa comenzii următoare este generată în contorul programului.

IV. Decriptarea comenzilor și executarea comenzilor

Folosind câmpurile de adresă ale instrucțiunii, unitatea de control determină dacă instrucțiunea are operanzi în memorie. Dacă are, atunci pe baza modurilor de adresare specificate în câmpurile de adresă, se calculează adresele operanzilor și se efectuează operații de citire a memoriei pentru citirea operanzilor.

Unitatea de control și ALU efectuează operația specificată în câmpul de cod de operare al comenzii. Registrul de flag al procesorului stochează caracteristicile operației.

V. Dacă este necesar, Controlorul efectuează operația de scriere a rezultatului în memorie.

Dacă ultima comandă nu a fost „oprire procesor”, atunci secvența de operații descrisă este efectuată din nou. Această secvență de operații este numită ciclul procesorului .

În anumite computere, implementarea acestui algoritm poate diferi ușor. Dar, în principiu, funcționarea oricărui computer von Neumann este descrisă de un algoritm similar și este o secvență de operații destul de simple.

Un PC include trei dispozitive principale: unitate de sistem, tastatură și afișaj . Pentru a extinde funcționalitatea computerului, dispozitivele periferice sunt conectate suplimentar: imprimantă, scanner, manipulatoare etc. Aceste dispozitive sunt fie conectate la unitatea de sistem folosind cabluri prin conectori situati pe peretele din spate unitate de sistem, sau sunt introduse direct în unitatea de sistem. PC-ul are o structură modulară. Toate modulele sunt conectate la magistrala de sistem.

Folosit pentru a controla dispozitivele externe controlere (adaptoare VU) . După ce primește o comandă de la MP, controlerul, funcționând autonom, eliberează MP de îndeplinirea unor funcții specifice pentru întreținerea dispozitivului extern.

Trebuie remarcat faptul că creșterea performanței MP moderne și a dispozitivelor individuale externe acestuia (memorie principală și externă, sisteme video etc.) a condus la problema creșterii lățime de bandă magistrala de sistem la conectarea acestor dispozitive. Pentru a rezolva această problemă, au fost dezvoltate autobuze locale, conectate direct la magistrala MP.

Dispozitivul principal dintr-un PC este unitate de sistem . Este format dintr-un CPU, un coprocesor, permanent și memorie cu acces aleator, controlere, unități de disc magnetice, surse de alimentare și alte module funcționale. Configurația PC-ului poate fi modificată prin conectarea unor module suplimentare. Pentru a asigura funcționarea consecventă a dispozitivelor PC placa de baza conține un chipset, de ex. set de microcircuite (cipuri).

Chipsetul determină principalele capacități ale plăcii:

· tipuri de procesoare suportate;

· frecvența maximă a magistralei de sistem;

· logica de comutare a dispozitivelor;

tipuri suportate și dimensiune maximă memoria principala;

· viteza de lucru cu fiecare tip de memorie;

· suport pentru portul grafic accelerat;

· tipul de interfață disc și modurile acesteia;

· numărul maxim de sloturi de expansiune;

· Monitorizare PC.

Chipsetul unui PC modern constă de obicei din două cipuri: un pod de nord sau un hub de controler de memorie (Memory Controller Hub, MCH), care servește dispozitive centrale și conține controlere pentru memoria principală, magistrala grafică, magistrala de sistem și magistrala de memorie și un pod de sud. bridge (South Bridge) sau I/O Controller Hub (ICH), care conține controlere pentru dispozitive I/O și standard dispozitiv periferic.

Schema funcțională a unui calculator - În funcție de scopul acestuia calculator - Acesta este un dispozitiv universal pentru lucrul cu informații. Conform principiilor designului său, un computer este un model al unei persoane care lucrează cu informații.

Calculator personal(PC) este un computer conceput pentru a servi o stație de lucru. Caracteristicile sale pot diferi de computerele mainframe, dar este capabil din punct de vedere funcțional să efectueze operațiuni similare. După metoda de operare, se disting modelele PC desktop (desktop), portabile (laptop și notebook) și de buzunar (palmtop).

Hardware. Deoarece computerul oferă toate cele trei clase de metode de informare pentru lucrul cu date (hardware, software și naturale), se obișnuiește să vorbim despre un sistem informatic ca fiind format din hardware și software care lucrează împreună. Componentele care alcătuiesc hardware-ul unui computer se numesc hardware. Ei efectuează toate lucrările fizice cu date: înregistrare, stocare, transport și transformare, atât în ​​formă, cât și în conținut, și, de asemenea, le prezintă într-o formă convenabilă pentru interacțiunea cu naturale. metode de informare persoană.

Totalitatea hardware-ului unui computer se numește configurația hardware a acestuia.

Software. Programele pot fi în două stări: activ și pasiv. Într-o stare pasivă, programul nu funcționează și arată ca date, al căror conținut este informație. În această stare, conținutul programului poate fi „citit” de către alte programe, cum ar fi cărțile sunt citite și schimbate. Din acesta puteți afla scopul programului și cum funcționează. În starea pasivă, programele sunt create, editate, stocate și transportate. Procesul de creare și editare a programelor se numește programare.

Când un program se află într-o stare activă, conținutul datelor sale este considerat drept comenzi în funcție de care funcționează hardware-ul computerului. Pentru a schimba ordinea de funcționare a acestora, este suficient să întrerupeți execuția unui program și să începeți execuția altuia, care conține un set diferit de comenzi.

Setul de programe stocate pe un computer îl formează software. Setul de programe pregătite pentru funcționare se numește software instalat. Setul de programe care rulează la un moment dat sau altul se numește configurație software.

Dispozitiv de calculator. Orice computer (chiar și cel mai mare) este format din patru părți:

• dispozitive de intrare
• dispozitive de procesare a informațiilor
• dispozitive de stocare
• dispozitive de ieșire a informațiilor.

Din punct de vedere structural, aceste părți pot fi combinate într-un singur caz de dimensiunea unei cărți, sau fiecare parte poate consta din mai multe dispozitive destul de voluminoase

Configurație hardware de bază pentru PC. Configurația hardware de bază a unui computer personal este setul minim de hardware suficient pentru a începe să lucreze cu un computer. În timp, conceptul de configurație de bază se schimbă treptat.

Cel mai adesea, un computer personal este format din următoarele dispozitive:

• Unitate de sistem
• Monitorizați
• Tastatură

În plus, pot fi conectate și alte dispozitive de intrare și ieșire, de exemplu difuzoare de sunet, imprimantă, scaner...

Unitate de sistem- bloc principal sistem informatic. Conține dispozitive care sunt considerate interne. Dispozitivele conectate extern la unitatea de sistem sunt considerate externe. Termenul de echipament periferic este folosit și pentru dispozitivele externe.
Monitorizați- un dispozitiv pentru reproducerea vizuală a simbolurilor și informatii grafice. Servește ca dispozitiv de ieșire. Pentru PC-urile desktop, cele mai comune monitoare astăzi sunt cele bazate pe tuburi catodice. Seamănă vag cu televizoarele de uz casnic.
Tastatură- un dispozitiv cu tastatură conceput pentru a controla funcționarea unui computer și pentru a introduce informații în acesta. Informațiile sunt introduse sub formă de date cu caractere alfanumerice.
Mouse- dispozitiv grafic de control.

Dispozitivele interne ale unui computer personal.
Dispozitivele situate în unitatea de sistem sunt considerate interne. Unele dintre ele sunt accesibile pe panoul frontal, ceea ce este convenabil pentru schimbări rapide medii de informare, cum ar fi dischetele magnetice. Conectorii unor dispozitive sunt amplasați pe peretele din spate - sunt utilizați pentru conectarea echipamentelor periferice. Accesul la unele dispozitive ale unității de sistem nu este asigurat - nu este necesar pentru funcționarea normală.

CPU. Microprocesorul este cipul principal al unui computer personal. Toate calculele sunt efectuate în ea. Caracteristica principală a procesorului este frecvența ceasului (măsurată în megaherți, MHz). Cu cât viteza ceasului este mai mare, cu atât performanța procesorului este mai mare. Deci, de exemplu, la o frecvență de ceas de 500 MHz, procesorul își poate schimba
afirmă de 500 de milioane de ori. Pentru majoritatea operațiunilor, un ciclu de ceas nu este suficient, astfel încât numărul de operații pe care un procesor le poate efectua pe secundă depinde nu numai de viteza de ceas, ci și de complexitatea operațiunilor.

Singurul dispozitiv despre care procesorul „o știe de la naștere” este RAM - funcționează împreună cu acesta. De aici provin datele și comenzile. Datele sunt copiate în celulele procesorului (numite registre) și apoi convertite conform conținutului instrucțiunilor. Veți obține o imagine mai completă a modului în care procesorul interacționează cu RAM în capitolele despre principiile fundamentale de programare.

RAM. RAM poate fi considerată ca o gamă largă de celule care stochează date numerice și comenzi în timp ce computerul este pornit. Cantitatea de RAM este măsurată în milioane de octeți - megaocteți (MB).

Procesorul poate accesa orice celulă RAM (octet) deoarece are o adresă numerică unică. Procesorul nu poate accesa un singur bit de RAM, deoarece bitul nu are o adresă. În același timp, procesorul poate schimba starea oricărui bit, dar acest lucru necesită mai multe acțiuni.

Placa de baza. Placa de bază este cea mai mare placă de circuite a unui computer personal. Conține autostrăzi care conectează procesorul cu RAM - așa-numitele autobuze. Există o magistrală de date prin care procesorul copiază datele din celulele de memorie, o magistrală de adrese prin care se conectează la anumite celule de memorie și o magistrală de comandă prin care procesorul primește comenzi de la programe. Toate celelalte dispozitive interne ale computerului sunt, de asemenea, conectate la magistralele plăcii de bază. Funcționarea plăcii de bază este controlată de un chipset cu microprocesor - așa-numitul chipset.

Adaptor video. Un adaptor video este un dispozitiv intern instalat într-unul dintre conectorii de pe placa de bază. Primele computere personale nu aveau adaptoare video. În schimb, o zonă mică a fost alocată în RAM pentru stocarea datelor video. Un cip special (controler video) a citit datele din celulele de memorie video și a controlat monitorul în conformitate cu acestea.

Pe măsură ce capacitățile grafice ale computerelor s-au îmbunătățit, zona de memorie video a fost separată de RAM principală și, împreună cu controlerul video, a fost separată într-un dispozitiv separat, care a fost numit adaptor video. Adaptoarele video moderne au propriul procesor de calcul (procesor video), care a redus sarcina procesorului principal la construirea de imagini complexe. Procesorul video joacă un rol deosebit de important atunci când se construiește pe un ecran plat. imagini 3D. În timpul unor astfel de operații, el trebuie să efectueze un număr deosebit de mare de calcule matematice.

La unele modele de plăci de bază, funcțiile adaptorului video sunt îndeplinite de cipuri chipset - în acest caz se spune că adaptorul video este integrat cu placa de baza. Dacă adaptorul video este realizat ca un dispozitiv separat, se numește placă video. Conectorul plăcii video este amplasat pe peretele din spate. La el este conectat un monitor.

Adaptor de sunet. Pentru computerele IBM PC, lucrul cu sunet nu a fost furnizat inițial. În primii zece ani de existență, computerele acestei platforme au fost considerate echipamente de birou și au făcut fără dispozitive de sunet. În prezent, instrumentele audio sunt considerate standard. Pentru a face asta pe placa de baza Adaptorul de sunet este instalat. Poate fi integrat în chipsetul plăcii de bază sau implementat ca o placă plug-in separată numită placă de sunet.
Conectorii plăcii de sunet sunt amplasați pe peretele din spate al computerului. Pentru a reda sunetul, difuzoarele sau căștile sunt conectate la acestea. Un conector separat este destinat pentru conectarea unui microfon. În prezența program special aceasta vă permite să înregistrați sunet. Există, de asemenea, un conector (ieșire de linie) pentru conectarea la un echipament extern de înregistrare a sunetului sau de reproducere a sunetului (reportatoare, amplificatoare etc.).

HDD. Deoarece RAM-ul computerului este șters atunci când alimentarea este oprită, este necesar un dispozitiv pentru a stoca date și programe pentru o perioadă lungă de timp. În prezent, așa-numitele hard disk-uri sunt utilizate pe scară largă în aceste scopuri.
Principiul de funcționare hard disk se bazează pe înregistrarea modificărilor câmpului magnetic din apropierea capului de înregistrare.

Principal parametru dur Capacitatea discului este măsurată în gigaocteți (miliarde de octeți), GB. Dimensiunea medie a unui hard disk modern este de 80 - 160 GB, iar acest parametru este în continuă creștere.

Unitate de dischetă. Pentru a transporta date între computere la distanță, se folosesc așa-numitele dischete. O dischetă standard (dischetă) are o capacitate relativ mică de 1,44 MB. Conform standardelor moderne, acest lucru este complet insuficient pentru majoritatea sarcinilor de stocare și transport de date, dar costul scăzut al suportului și disponibilitatea ridicată au făcut ca dischetele să fie cele mai comune medii de stocare.

Pentru a scrie și a citi datele stocate pe dischete, se folosește un dispozitiv special - o unitate de disc. Orificiul de primire a unității este situat pe panoul frontal al unității de sistem.

Unitatea CD ROM. Pentru a transporta cantități mari de date, este convenabil să utilizați CD-ROM-uri. Aceste discuri pot citi doar date scrise anterior; nu pot fi scrise pe acestea. Capacitatea unui disc este de aproximativ 650-700 MB.

Unitățile CD-ROM sunt folosite pentru a citi CD-uri. Parametrul principal al unei unități CD-ROM este viteza de citire. Se măsoară în mai multe unități. Viteza de citire aprobată la mijlocul anilor 80 este luată ca una. pentru CD-uri muzicale (CD-uri audio). Unitățile CD-ROM moderne oferă viteze de citire de 40x - 52x.
Principalul dezavantaj Unități CD-ROM- imposibilitatea înregistrării discurilor - a fost depășită în dispozitivele moderne de scriere o singură dată - CD-R. Există și dispozitive CD-RW care permit înregistrări multiple.

Principiul stocării datelor pe CD-uri nu este magnetic, precum dischetele, ci optic.

Porturi de comunicație. Pentru a comunica cu alte dispozitive, cum ar fi o imprimantă, scaner, tastatură, mouse etc., computerul este echipat cu așa-numitele porturi. Un port nu este doar un conector pentru conectarea echipamentelor externe, deși un port se termină într-un conector. Un port este un dispozitiv mai complex decât un simplu conector, având propriile microcircuite și controlat de software.

Adaptor de retea. Adaptoarele de rețea sunt necesare pentru ca computerele să poată comunica între ele. Acest dispozitiv asigură că procesorul nu trimite o nouă porțiune de date către portul extern până când adaptorul de rețea al unui computer vecin nu a copiat porțiunea anterioară în sine. După aceasta, procesatorului i se dă un semnal că datele au fost colectate și pot fi trimise altele noi. Așa are loc transferul.

Atunci când un adaptor de rețea „învață” de la un adaptor vecin că are o bucată de date, o copiază în sine și apoi verifică dacă îi este adresată. Dacă da, le transmite procesorului. Dacă nu, le pune pe portul de ieșire, de unde le va ridica adaptorul de rețea al următorului computer vecin. Acesta este modul în care datele se deplasează între computere până ajung la destinatar.
Adaptoarele de rețea pot fi încorporate în placa de bază, dar sunt instalate mai des separat, sub formă de carduri suplimentare numite plăci de rețea.

Calculatoarele electronice sunt de obicei clasificate în funcție de o serie de caracteristici, în special: funcţionalitate si natura sarcinilor de rezolvat, dupa modul de organizare proces de calcul, după caracteristicile arhitecturale și puterea de calcul.

Pe baza funcționalității și a naturii sarcinilor care se rezolvă, se disting următoarele:

Calculatoare universale (de uz general);

Calculatoare orientate spre probleme;

Calculatoare specializate.

Calculatoare mainframe sunt concepute pentru a rezolva o mare varietate de probleme de inginerie și tehnice, caracterizate prin complexitatea algoritmilor și volumul mare de date prelucrate.

Calculatoare orientate spre probleme sunt concepute pentru a rezolva o gamă mai restrânsă de sarcini legate de înregistrarea, acumularea și prelucrarea unor cantități mici de date.

Calculatoare specializate sunt folosite pentru a rezolva o gamă restrânsă de probleme (microprocesoare și controlere care îndeplinesc funcții de control pentru dispozitivele tehnice).

Prin modul de organizare a procesului de calcul Calculatoarele sunt împărțite în monoprocesor și multiprocesor, precum și secvențiale și paralele.

Cu un singur procesor. Calculatorul are un procesor central și toate operațiunile de calcul și operațiunile de control al dispozitivelor de intrare/ieșire sunt efectuate pe acest procesor.

Multiprocesor. Calculatorul conține mai multe procesoare între care sunt redistribuite funcțiile de organizare a procesului de calcul și de gestionare a dispozitivelor de intrare/ieșire a informațiilor.

Consistent. Ele funcționează în modul cu un singur program, atunci când computerul este proiectat în așa fel încât să poată executa un singur program, iar toate resursele sale sunt utilizate numai în interesul programului care se execută.

Paralel. Ele funcționează în modul multiprogram, când pe computer rulează mai multe programe de utilizator și resursele sunt partajate între aceste programe, asigurând execuția lor paralelă.

Pe baza caracteristicilor arhitecturale și a puterii de calcul, acestea se disting:

Să luăm în considerare schema de clasificare a calculatoarelor după acest criteriu (Fig. 1).

Fig.1. Clasificarea calculatoarelor după caracteristicile arhitecturale

si putere de calcul.

Supercalculatoare- Acestea sunt cele mai puternice mașini de calcul în ceea ce privește viteza și performanța. Supercomputerele includ „Cray” și „IBM SP2” (SUA). Ele sunt folosite pentru rezolvarea problemelor de calcul la scară largă și modelare, pentru calcule complexe în aerodinamică, meteorologie, fizica energiilor înalte și sunt utilizate și în sectorul financiar.

Mașini mari sau mainframe. Mainframe-urile sunt utilizate în sectorul financiar, complexul de apărare și sunt folosite pentru personalul centrelor de calcul departamentale, teritoriale și regionale.

Calculatoare medii utilizat pe scară largă pentru controlul proceselor tehnologice complexe de producție.

Minicalculator concepute pentru a fi utilizate ca sisteme informatice de control și servere de rețea.

Microcalculator- Acestea sunt calculatoare care folosesc un microprocesor ca unitate centrală de procesare. Acestea includ microcalculatoare încorporate (încorporate în diverse echipamente, echipamente sau dispozitive) și computere personale (PC-uri).

Calculatoare personale. S-a dezvoltat rapid în ultimii 20 de ani. Un computer personal (PC) este proiectat să deservească o singură stație de lucru și poate satisface nevoile întreprinderilor mici și ale persoanelor fizice. Odată cu apariția Internetului, popularitatea computerelor a crescut semnificativ, deoarece folosind un computer personal puteți utiliza informații științifice, de referință, educaționale și de divertisment.

Calculatoarele personale includ computere desktop și laptopuri. Computerele portabile includ Notebook (notepad sau Caiet) și computere personale de buzunar (Personal Computers Handheld - PC portabil, Personal Digital Assistant - PDA și Palmtop).

Calculatoare încorporate. Calculatoare care sunt utilizate în diferite dispozitive, sisteme și complexe pentru a implementa funcții specifice. De exemplu, diagnosticarea mașinii.

Din 1999, un standard internațional de certificare, specificația PC99, a fost utilizat pentru clasificarea PC-urilor. Conform acestei specificații, PC-urile sunt împărțite în următoarele grupuri:

· PC-uri de masă (PC Consumer);

· PC-uri de afaceri (PC Office);

· PC-uri portabile (Mobile PC);

· stații de lucru (WorkStation);

· PC-uri de divertisment (PC-uri de divertisment).

Majoritatea PC-urilor sunt masivși includeți un set standard (minim necesar) de hardware. Acest set include: unitate de sistem, display, tastatură, mouse. Dacă este necesar, acest set poate fi completat cu ușurință cu alte dispozitive la cererea utilizatorului, de exemplu, o imprimantă.

PC-uri de afaceri include un minim de instrumente de reproducere grafică și sunet.

PC-uri laptop diferă prin prezența mijloacelor de comunicare cu acces la distanță.

Stații de lucru satisface cerințele crescute pentru capacitatea de memorie a dispozitivelor de stocare a datelor.

PC-uri de divertisment concentrat pe grafică de înaltă calitate și reproducere a sunetului.

De caracteristici de proiectare PC-urile sunt împărțite în:

· staţionare (desktop, Desktop);

portabil:

· portabil (Laptop);

· caiete;

· buzunar (Palmtop).

Pentru a studia eficient tehnologia informatică aplicată, este extrem de important să aveți o înțelegere clară a hardware-ului și software-ului computerului. Compoziția tehnologiei computerului se numește configurație . Hardware și software Tehnologia informatică este de obicei luată în considerare separat. În consecință, ei iau în considerare separat configurație hardware și ei software configurație Acest principiu de separare este de o importanță deosebită pentru informatică, deoarece de foarte multe ori soluția la aceleași probleme poate fi oferită atât de hardware cât și de software. Criteriile pentru alegerea unei soluții hardware sau software sunt performanța și eficiența. De exemplu, fie introduceți textul într-un editor de text, fie utilizați un scanner.

Configurația hardware de bază a unui computer personal

Computer personal – universal sistem tehnic. A lui configurație (compoziția echipamentului) poate fi modificată în mod flexibil, după cum este necesar. Cu toate acestea, există un concept configurație de bază , care este considerat tipic, i.e. set minim de echipamente. De obicei, computerul vine cu acest kit. Conceptul de configurație de bază poate varia. Considerat în prezent în configurația de bază următoarele dispozitive(Fig. 2.1.):

Să aruncăm o privire la părțile sale.

La principal mijloace tehnice computerele personale includ:

- unitate de sistem;

- monitor (afisaj);

- tastatură.

În plus, vă puteți conecta la computer, de exemplu:

- Imprimanta;

- mouse;

- scanner;

- modem (modulator-demodulator);

- plotter;

- joystick, etc.

Unitate de sistem

Unitatea de sistem este unitatea principală în care sunt instalate cele mai importante componente. Unitate de sistem (vezi Fig. 2.2., 2.3.) este un caz în care se află aproape tot hardware-ul computerului.

Sunt apelate dispozitivele situate în interiorul unității de sistem intern, iar dispozitivele conectate la acesta extern sunt numite extern. Extern dispozitive suplimentare, numit si periferic.

Organizare internă unitate de sistem:

· placa de baza;

· HDD:

· unitate de dischetă;

· Unitatea CD ROM;

· placa video (adaptor video);

· placa de sunet;

· unitate de putere.

Sisteme situate pe placa de baza:

· RAM;

· procesor;

· cip ROM și sistem BIOS;

· interfețe de magistrală etc.

Discurile magnetice, spre deosebire de RAM, sunt concepute pentru stocarea permanentă a informațiilor.

Există două tipuri de discuri magnetice utilizate în computere:

· hard disk neamovibil (hard disk);

· discuri amovibile, flexibile (dischete).

Hard disk-ul este conceput pentru stocarea permanentă a informațiilor care sunt mai mult sau mai puțin des folosite în muncă: programe de sistem de operare, compilatoare din limbaje de programare, programe de service (întreținere), programe de aplicații utilizator, documente text, fișiere de baze de date etc. Hard disk-ul este semnificativ superior dischetelor în ceea ce privește viteza de acces, capacitatea și fiabilitatea.

3. Tehnologia calculatoarelor 1

3.1 Istoria dezvoltării tehnologiei informatice 1

3.2 Metode de clasificare a calculatoarelor 3

3.3 Alte tipuri de clasificare a computerelor 5

3.4 Compoziția sistemului de calcul 7

3.4.1 Hardware 7

3.4.2 Software 7

3.5 Clasificarea aplicațiilor software 9

3.6 Clasificarea software-ului utilitar 12

3.7 Conceptul de informare și suport matematic pentru sisteme informatice 13

3.8 Rezumatul 13

1. Inginerie calculator

   1. Istoria dezvoltării tehnologiei informatice

Sistem de calcul, calculator

Găsirea mijloacelor și metodelor de mecanizare și automatizare a muncii este una dintre sarcinile principale ale disciplinelor tehnice. Automatizarea muncii cu date are propriile caracteristici și diferențe față de automatizarea altor tipuri de muncă. Pentru această clasă de sarcini se folosesc tipuri speciale de dispozitive, dintre care majoritatea sunt dispozitive electronice. Se numește un set de dispozitive concepute pentru prelucrarea automată sau automată a datelor tehnologia calculatoarelor, Se numește un set specific de dispozitive și programe care interacționează concepute pentru a servi o zonă de lucru sistem de calcul. Dispozitivul central al majorității sistemelor de calcul este calculator.

Un computer este un dispozitiv electronic conceput pentru a automatiza crearea, stocarea, procesarea și transportul datelor.

Cum funcționează computerul

În definirea unui computer ca dispozitiv, am indicat caracteristica definitorie - electronic. Cu toate acestea, calculele automate nu au fost întotdeauna efectuate de dispozitive electronice. Sunt cunoscute și dispozitivele mecanice care pot efectua calcule automat.

Analizand istoria timpurie tehnologia computerelor, unii cercetători străini numesc adesea un dispozitiv de calcul mecanic drept un predecesor antic al computerului abac. Abordarea „de la abac” indică o concepție metodologică greșită, deoarece abacul nu are proprietatea de a efectua automat calcule, dar pentru un computer este decisiv.

Abacul este cel mai vechi dispozitiv mecanic de numărare, inițial o placă de lut cu caneluri în care erau așezate pietre reprezentând numere. Apariția abacului datează din mileniul IV î.Hr. e. Locul de origine este considerat a fi Asia. În Evul Mediu în Europa, abacul a fost înlocuit cu tabele grafice. S-au numit calcule folosindu-le numărând pe linii, șiîn Rusia în secolele XVI-XVII a apărut o invenție mult mai avansată, care este folosită și astăzi - abac rusesc.

În același timp, suntem foarte familiarizați cu un alt dispozitiv care poate efectua automat calcule - un ceas. Indiferent de principiul de funcționare, toate tipurile de ceasuri (ceas cu nisip, ceas cu apă, mecanic, electric, electronic etc.) au capacitatea de a genera mișcări sau semnale la intervale regulate și de a înregistra modificările rezultate, adică de a efectua însumarea automată a semnalelor. sau mișcări. Acest principiu poate fi văzut chiar și la cadranele solare care conțin doar un dispozitiv de înregistrare (rolul de generator este îndeplinit de sistemul Pământ-Soare).

Un ceas mecanic este un dispozitiv format dintr-un dispozitiv care efectuează automat mișcări la intervale regulate specificate și un dispozitiv pentru înregistrarea acestor mișcări. Locul unde au apărut primele ceasuri mecanice este necunoscut. Cele mai vechi exemple datează din secolul al XIV-lea și aparțin mănăstirilor (ceas turn).

În centrul oricărui computer modern, ca în ceas electronic, minciuni generator de ceas, generând semnale electrice la intervale regulate care sunt utilizate pentru a conduce toate dispozitivele dintr-un sistem informatic. Controlul unui computer se reduce de fapt la gestionarea distribuției semnalelor între dispozitive. Un astfel de control poate fi efectuat automat (în acest caz se vorbește despre controlul programului) sau manual folosind comenzi externe - butoane, comutatoare, jumperi etc. (la modelele timpurii). În calculatoarele moderne, controlul extern este în mare măsură automatizat folosind interfețe hardware-logice speciale la care sunt conectate dispozitive de control și de intrare a datelor (tastatură, mouse, joystick și altele). Spre deosebire de controlul programului, un astfel de control este numit interactiv.

Surse mecanice

Primul dispozitiv automat din lume pentru efectuarea operației de adăugare a fost creat pe baza unui ceas mecanic. În 1623, a fost dezvoltat de Wilhelm Schickard, profesor la Departamentul de Limbi Orientale de la Universitatea din Tübingen (Germania). În prezent, un model de lucru al dispozitivului a fost reprodus din desene și a confirmat funcționalitatea acestuia. Inventatorul însuși a numit mașina un „ceas cu însumare” în scrisorile sale.

În 1642, mecanicul francez Blaise Pascal (1623-1662) a dezvoltat un dispozitiv de adăugare mai compact, care a devenit primul calculator mecanic produs în masă din lume (în special pentru nevoile cămătarilor și schimbătorilor de bani parizieni). În 1673, matematicianul și filozoful german G. W. Leibniz (1646-1717) a creat un calculator mecanic care putea efectua operații de înmulțire și împărțire prin repetarea operațiilor de adunare și scădere în mod repetat.

În secolul al XVIII-lea, cunoscut sub numele de Epoca Iluminismului, au apărut modele noi, mai avansate, dar principiul controlului mecanic al operațiilor de calcul a rămas același. Ideea programării operațiunilor de calcul a venit din aceeași industrie a ceasurilor. Vechiul ceas din turnul mănăstirii a fost setat să pornească un mecanism conectat la un sistem de clopote la un moment dat. O astfel de programare a fost dur - aceeași operațiune a fost efectuată în același timp.

Ideea programării flexibile a dispozitivelor mecanice folosind bandă de hârtie perforată a fost realizată pentru prima dată în 1804 în războaiele Jacquard, după care a fost doar un pas să controlul programului operatii de calcul.

Acest pas a fost făcut de remarcabilul matematician și inventator englez Charles Babbage (1792-1871) în motorul său analitic, care, din păcate, nu a fost niciodată construit complet de inventator în timpul vieții sale, ci a fost reprodus în zilele noastre după desenele sale, așa că că astăzi avem dreptul să vorbim despre Motorul Analitic ca despre un dispozitiv cu adevărat existent. O caracteristică specială a motorului analitic a fost că a fost primul care a fost implementat principiul împărțirii informațiilor în comenzi și date. Motorul analitic conținea două unități mari - un „depozit” și o „moară”. Datele au fost introduse în memoria mecanică a „depozitului” prin instalarea blocurilor de roți dințate, apoi procesate în „moara” folosind comenzi care au fost introduse din carduri perforate (ca într-un războaie de țesut Jacquard).

Cercetătorii lucrării lui Charles Babbage remarcă cu siguranță rolul deosebit al contesei Augusta Ada Lovelace (1815-1852), fiica celebrului poet Lord Byron, în dezvoltarea proiectului Analytical Engine. Ea a venit cu ideea de a folosi carduri perforate pentru programarea operațiilor de calcul (1843). În special, într-una dintre scrisorile ei, ea a scris: „Motorul analitic împletește modele algebrice în același mod în care un țesut reproduce flori și frunze”. Lady Ada poate fi numită pe bună dreptate prima programatoare din lume. Astăzi, unul dintre faimoasele limbaje de programare poartă numele ei.

Ideea lui Charles Babbage de luare în considerare separată echipeȘi date s-a dovedit a fi neobișnuit de rodnic. În secolul al XX-lea a fost dezvoltat în principiile lui John von Neumann (1941), iar astăzi în calculul principiului considerației separate programeȘi date este foarte important. Se ține cont atât la dezvoltarea arhitecturilor calculatoarelor moderne, cât și la dezvoltarea programelor de calculator.

Surse matematice

Dacă ne gândim la ce obiecte au lucrat primii predecesori mecanici ai computerului electronic modern, trebuie să recunoaștem că numerele erau reprezentate fie sub forma unor mișcări liniare ale mecanismelor cu lanț și cremalieră, fie sub forma unor mișcări unghiulare ale mecanismelor de viteză și pârghie. . În ambele cazuri, acestea au fost mișcări, care nu puteau decât să afecteze dimensiunile dispozitivelor și viteza de funcționare a acestora. Doar trecerea de la înregistrarea mișcărilor la înregistrarea semnalelor a făcut posibilă reducerea semnificativă a dimensiunilor și creșterea performanței. Cu toate acestea, pe drumul către această realizare a fost necesar să se introducă câteva principii și concepte mai importante.

Sistemul binar Leibniz.În dispozitivele mecanice, angrenajele pot avea destul de multe elemente fixe și, cel mai important, diferit între constituie provizioane. Numărul de astfel de poziții este cel puțin egal cu numărul dinților angrenajului. În electrice și dispozitive electronice despre care vorbim nu despre înregistrare prevederi elemente structurale și despre înregistrare state elementele dispozitivului. Atât de stabil și distins Există doar două stări: pornit - oprit; deschis inchis; încărcat - descărcat, etc. Prin urmare, sistemul zecimal tradițional utilizat în calculatoarele mecanice este incomod pentru dispozitivele electronice de calcul.

Posibilitatea de a reprezenta orice numere (și nu numai numere) cu cifre binare a fost propusă pentru prima dată de Gottfried Wilhelm Leibniz în 1666. A ajuns la sistemul de numere binar în timp ce cerceta conceptul filozofic de unitate și lupta contrariilor. O încercare de a imagina universul sub forma unei interacțiuni continue a două principii („negru” și „alb”, bărbat și femeie, bine și rău) și de a aplica metodele matematicii „pure” la studiul său l-a determinat pe Leibniz să studieze proprietățile reprezentării binare a datelor. Trebuie spus că Leibniz se gândise deja la posibilitatea utilizării unui sistem binar într-un dispozitiv de calcul, dar, deoarece nu era nevoie de acest lucru pentru dispozitivele mecanice, el nu a folosit principiile sistemului binar în calculatorul său (1673) .

Logica matematică a lui George Boole, Vorbind despre munca lui George Boole, cercetătorii din istoria tehnologiei computerelor subliniază cu siguranță că acest remarcabil om de știință englez din prima jumătate a secolului al XIX-lea a fost autodidact. Poate tocmai din cauza lipsei unei educații „clasice” (așa cum se înțelegea la acea vreme) George Boole a introdus schimbări revoluționare în logica ca știință.

În timp ce studia legile gândirii, el a aplicat un sistem de notație formală și reguli în logică care era apropiat de cel matematic. Ulterior acest sistem numită algebră logică sau algebră booleană. Regulile acestui sistem sunt aplicabile pentru o mare varietate de obiecte și grupurile acestora (seturi, conform terminologiei autorului). Scopul principal al sistemului, așa cum a fost conceput de J. Boole, a fost să codifice declarații logice și să reducă structurile concluziilor logice la expresii simple, apropiate ca formă de formulele matematice. Rezultatul unei evaluări formale a unei expresii logice este una dintre cele două valori logice: Adevărat sau minciună.

Importanța algebrei logice a fost ignorată multă vreme, deoarece tehnicile și metodele sale nu conțineau beneficii practice pentru știința și tehnologia din acea vreme. Cu toate acestea, când a apărut posibilitatea fundamentală de a crea tehnologie informatică pe bază electronică, operațiunile introduse de Boole s-au dovedit a fi foarte utile. Aceștia se concentrează inițial pe lucrul cu doar două entități: AdevăratȘi minciună. Nu este greu de înțeles cum au fost utile pentru lucrul cu codul binar, care în computerele moderne este reprezentat și de doar două semnale: zeroȘi unitate.

Nu tot sistemul lui George Boole (și nici toate operațiunile logice propuse de el) au fost folosite pentru a crea calculatoare electronice, ci patru operațiuni principale: Și (intersecție), SAU (Uniune), NU (recurs)și SAU EXCLUSIV - formează baza funcționării tuturor tipurilor de procesoare în calculatoarele moderne.

Orez. 3.1. Operații de bază ale algebrei logice

Clasificarea echipamentelor informatice

1. Hardware

Compoziția unui sistem de calcul se numește configurație. Hardware-ul și software-ul computerului sunt de obicei luate în considerare separat. În consecință, configurația hardware a sistemelor de calcul și configurația software a acestora sunt luate în considerare separat. Acest principiu de separare este de o importanță deosebită pentru informatică, deoarece de foarte multe ori soluția la aceleași probleme poate fi oferită atât de hardware cât și de software. Criteriile pentru alegerea unei soluții hardware sau software sunt performanța și eficiența. Este în general acceptat că soluțiile hardware sunt în medie mai scumpe, dar implementarea soluții software necesită personal mai înalt calificat.

LA hardware sistemele de calcul includ dispozitive și instrumente care formează o configurație hardware. Calculatoare moderne iar sistemele de calcul au un design bloc-modular - configurația hardware necesară execuției tipuri specifice lucru, care poate fi asamblat din unități și blocuri gata făcute.

Principalele componente hardware ale unui sistem de calcul sunt: ​​memoria, procesorul central și dispozitivele periferice, care sunt interconectate printr-o magistrală de sistem (Fig. 1.) Memoria principală este concepută pentru a stoca programe și date în formă binară și este organizată sub forma dintr-o matrice ordonată de celule, fiecare având o adresă digitală unică. De obicei, dimensiunea celulei este de 1 octet. Operații tipice pe memoria principală: citirea și scrierea conținutului unei celule cu o anumită adresă.

2. Procesor central

Unitatea centrală de procesare este unitatea centrală a unui computer care efectuează operațiuni de prelucrare a datelor și controlează dispozitivele periferice ale computerului. Procesorul central include:

Dispozitiv de control - organizează procesul de execuție a programului și coordonează interacțiunea tuturor dispozitivelor sistemului informatic în timpul funcționării acestuia;

Unitate aritmetico-logică - realizează operații aritmetice și logice asupra datelor: adunare, scădere, înmulțire, împărțire, comparare etc.;

Dispozitiv de stocare - este memorie interna procesor, care constă din registre, atunci când este utilizat, procesorul efectuează calcule și stochează rezultate intermediare; Pentru a accelera lucrul cu RAM, se folosește memoria cache, în care sunt pompate înainte comenzile și datele din RAM necesare procesorului pentru operațiunile ulterioare;

Generator de ceas - generează impulsuri electrice care sincronizează funcționarea tuturor nodurilor computerului.

Procesorul central efectuează diverse operații cu date folosind celule specializate pentru stocarea variabilelor cheie și a rezultatelor temporare - registre interne. Registrele sunt împărțite în două tipuri (Fig. 2.):

Registre de uz general - utilizate pentru stocarea temporară a variabilelor locale cheie și a rezultatelor intermediare ale calculelor, includ registre de date și registre de indicatori; funcția principală este de a oferi acces rapid la datele utilizate frecvent (de obicei fără acces la memorie).

Registre specializate - utilizate pentru controlul funcționării procesorului, cele mai importante dintre ele sunt: ​​registrul de instrucțiuni, pointerul de stivă, registrul de steaguri și registrul care conține informații despre starea programului.

Programatorul poate folosi registrele de date la discreția sa pentru a stoca temporar orice obiecte (date sau adrese) și pentru a efectua operațiunile necesare asupra acestora. Registrele index, precum registrele de date, pot fi utilizate în orice mod; scopul lor principal este de a stoca indici sau decalaje de date și instrucțiuni de la începutul adresei de bază (când preiau operanzi din memorie). Adresa de bază poate fi în registrele de bază.

Registrele de segmente sunt un element critic al arhitecturii procesorului, oferind adresarea unui spațiu de adrese de 20 de biți folosind operanzi de 16 biți. Registre de segmente principale: CS - registru de segment de cod; DS - registru de segmente de date; SS este registrul de segment de stivă, ES este registrul de segment suplimentar. Memoria este accesată prin segmente - formațiuni logice suprapuse pe orice porțiune a spațiului de adrese fizice. Adresa de pornire a segmentului, împărțită la 16 (fără cifra hexazecimală cea mai puțin semnificativă) este introdusă într-unul dintre registrele de segment; după care se asigură accesul la secțiunea de memorie începând de la adresa de segment specificată.

Adresa oricărei celule de memorie constă din două cuvinte, dintre care unul determină locația în memorie a segmentului corespunzător, iar celălalt - decalajul în cadrul acestui segment. Dimensiunea unui segment este determinată de cantitatea de date pe care o conține, dar nu poate depăși niciodată 64 KB, care este determinată de valoarea de offset maximă posibilă. Adresa de segment a segmentului de instrucțiune este stocată în registrul CS, iar offset-ul către octetul adresat este stocat în registrul de indicator al instrucțiunii IP.

Fig.2. Registre de procesor pe 32 de biți

După încărcarea programului, offset-ul primei comenzi a programului este introdus în IP. Procesorul, citind-o din memorie, mărește conținutul IP exact cu lungimea acestei instrucțiuni (instrucțiunile procesorului Intel pot avea o lungime de la 1 la 6 octeți), drept urmare IP indică a doua instrucțiune a programului . După ce a executat prima comandă, procesorul o citește pe a doua din memorie, crescând din nou valoarea IP. Drept urmare, IP-ul conține întotdeauna offset-ul următoarei comenzi - comanda care urmează celei care se execută. Algoritmul descris este încălcat numai atunci când se execută instrucțiuni de salt, apeluri subrutine și întreruperi.

Adresa de segment a segmentului de date este stocată în registrul DS, offset-ul poate fi într-unul dintre registrele de uz general. Registrul de segment suplimentar ES este utilizat pentru a accesa câmpuri de date care nu sunt incluse în program, cum ar fi tamponul video sau celulele de sistem. Cu toate acestea, dacă este necesar, poate fi configurat pentru unul dintre segmentele programului. De exemplu, dacă un program lucrează cu o cantitate mare de date, puteți furniza două segmente pentru acestea și puteți accesa unul dintre ele prin registrul DS, iar celălalt prin registrul ES.

Registrul de pointer al stivei SP este folosit ca un pointer către vârful stivei. O stivă este o zonă de program pentru stocarea temporară a datelor arbitrare. Comoditatea stivei constă în faptul că zona sa este folosită în mod repetat, iar stocarea datelor pe stivă și preluarea lor de acolo se realizează folosind comenzile push și pop fără a specifica numele. Stiva este folosită în mod tradițional pentru a stoca conținutul registrelor utilizate de un program înainte de a apela o subrutină, care la rândul său va folosi registrele procesorului în scopuri proprii. Conținutul original al registrelor este scos din stivă după revenirea subrutinei. O altă tehnică comună este de a trece parametrii necesari unei subrutine prin intermediul stivei. Subrutina, știind în ce ordine sunt așezați parametrii pe stivă, îi poate lua de acolo și îi poate folosi în timpul execuției sale.

O caracteristică distinctivă a stivei este ordinea unică în care datele conținute în acesta sunt preluate: la un moment dat, doar elementul de sus este disponibil pe stivă, adică elementul care a fost încărcat ultima dată pe stivă. Scoaterea elementului de sus din stivă face ca următorul element să fie disponibil. Elementele stivei sunt situate în zona de memorie alocată stivei, începând de la partea de jos a stivei (la adresa maximă a acesteia) la adrese care descresc succesiv. Adresa elementului de sus, accesibil este stocată în registrul de pointer al stivei SP.

Registrele speciale sunt disponibile numai în modul privilegiat și sunt utilizate de sistemul de operare. Acestea controlează diverse blocuri cache, memoria principală, dispozitivele de intrare/ieșire și alte dispozitive din sistemul de calcul.

Există un singur registru care este accesibil atât în ​​modul privilegiat, cât și în modul utilizator. Acesta este registrul PSW (Program State Word), care se numește registrul flag. Registrul flag conține diverși biți necesari procesorului central, cei mai importanți sunt codurile de condiție care sunt folosite în comparații și salturi condiționate.Aceștia sunt setați în fiecare ciclu al unității aritmetico-logice a procesorului și reflectă starea rezultatului precedent. Operațiune. Conținutul registrului de steag depinde de tipul de sistem de calcul și poate include câmpuri suplimentare care indică: modul mașină (de exemplu, utilizator sau privilegiat); trace bit (care este folosit pentru depanare); nivelul de prioritate procesor; starea de activare a întreruperii. Registrul steag este de obicei citit în modul utilizator, dar unele câmpuri pot fi scrise doar în modul privilegiat (de exemplu, bitul care indică modul).

Registrul pointerului de comandă conține adresa următoarei comenzi din coada de execuție. După selectarea unei instrucțiuni din memorie, registrul de instrucțiuni este ajustat și indicatorul trece la următoarea instrucțiune. Pointer-ul instrucțiunii monitorizează progresul execuției programului, indicând în fiecare moment adresa relativă a instrucțiunii care urmează celei care se execută. Registrul nu este accesibil programatic; Creșterea adresei în aceasta este efectuată de microprocesor, ținând cont de lungimea instrucțiunii curente. Comenzile pentru sărituri, întreruperi, apelarea subrutinelor și revenirea din ele modifică conținutul indicatorului, făcând astfel tranziții la punctele necesare din program.

Registrul acumulatorului este folosit în marea majoritate a instrucțiunilor. Comenzile utilizate frecvent folosind acest registru au un format scurtat.

Pentru a procesa informații, datele sunt de obicei transferate din celulele de memorie în registre de uz general, efectuând o operație procesor centralși transferarea rezultatelor în memoria principală. Programele sunt stocate ca o secvență de instrucțiuni ale mașinii care trebuie executate de procesorul central. Fiecare comandă constă dintr-un câmp de operație și câmpuri de operanzi - datele pe care se efectuează operația. Un set de instrucțiuni pentru mașină se numește limbaj mașină. Programele sunt executate după cum urmează. Instrucțiunea mașinii indicată de contorul de programe este citită din memorie și copiată în registrul de instrucțiuni, unde este decodificată și apoi executată. După executarea sa, contorul programului indică următoarea comandă etc. Aceste acțiuni se numesc ciclu de mașină.

Majoritatea procesoarelor centrale au două moduri de operare: modul kernel și modul utilizator, care este specificat printr-un bit în cuvântul de stare a procesorului (registru steag). Dacă procesorul rulează în modul kernel, poate executa toate instrucțiunile din setul de instrucțiuni și poate folosi toate capacitățile hardware-ului. Sistemul de operare rulează în modul kernel și oferă acces la tot hardware-ul. Programele utilizator rulează în modul utilizator, care permite executarea multor comenzi, dar face disponibilă doar o parte din hardware.

Pentru a comunica cu sistemul de operare, un program de utilizator trebuie să emită un apel de sistem care intră în modul kernel și activează funcțiile sistemului de operare. Comanda trap (întrerupere emulată) comută modul de operare al procesorului de la modul utilizator la modul nucleu și transferă controlul către sistemul de operare. După terminarea lucrărilor, controlul revine la programul utilizatorului, la comanda care urmează apelului de sistem.

În computere, pe lângă instrucțiunile de executare a apelurilor de sistem, există întreruperi care sunt apelate de hardware pentru a avertiza asupra situațiilor de excepție, cum ar fi o încercare de împărțire la zero sau o depășire în virgulă mobilă. În toate astfel de cazuri, controlul trece către sistemul de operare, care trebuie să decidă ce să facă în continuare. Uneori trebuie să încheiați programul cu un mesaj de eroare, uneori îl puteți ignora (de exemplu, dacă un număr își pierde semnificația, poate fi setat la zero) sau puteți transfera controlul către programul însuși pentru a gestiona anumite tipuri de condiții.

Pe baza aranjamentului dispozitivelor în raport cu procesorul central, se disting dispozitivele interne și externe. Externe, de regulă, sunt majoritatea dispozitivelor de intrare/ieșire (numite și dispozitive periferice) și unele dispozitive concepute pentru stocarea de date pe termen lung.

Coordonarea între nodurile și blocurile individuale se realizează folosind dispozitive hardware-logice de tranziție numite interfețe hardware. Standardele pentru interfețele hardware în calcul se numesc protocoale - un set de condiții tehnice care trebuie furnizate de dezvoltatorii de dispozitive pentru a-și coordona cu succes funcționarea cu alte dispozitive.

Numeroase interfețe prezente în arhitectura oricărui sistem de calcul pot fi împărțite în două mari grupe: seriale și paralele. Printr-o interfață serială, datele sunt transmise secvențial, bit cu bit, și printr-o interfață paralelă - simultan în grupuri de biți. Numărul de biți implicați într-un mesaj este determinat de lățimea interfeței; de exemplu, interfețele paralele de opt biți transmit un octet (8 biți) pe ciclu.

Interfețele paralele sunt de obicei mai complexe decât interfețele seriale, dar oferă performanțe mai mari. Sunt utilizate acolo unde viteza de transfer a datelor este importantă: pentru conectarea dispozitivelor de imprimare, dispozitivelor de intrare grafică, dispozitivelor pentru înregistrarea datelor pe medii externe etc. Performanța interfețelor paralele este măsurată în octeți pe secundă (octet/s; KB/s; MB/s).

Dispozitiv interfețe seriale Mai uşor; de regulă, nu au nevoie să sincronizeze funcționarea dispozitivelor de transmisie și recepție (prin urmare sunt adesea numite interfețe asincrone), dar debitul lor este mai mic, iar coeficientul acțiune utilă de mai jos. Deoarece schimbul de date prin dispozitive seriale se realizează nu pe octeți, ci pe biți, performanța acestora este măsurată în biți pe secundă (bps, Kbps, Mbps). În ciuda simplității aparente a conversiei unităților de viteză de transmisie în serie în unități de viteză de transfer de date paralele prin diviziunea mecanică cu 8, o astfel de conversie nu este efectuată deoarece nu este corectă din cauza prezenței datelor de serviciu. Ca ultimă soluție, ajustată pentru datele de service, uneori viteza dispozitivelor seriale este exprimată în caractere pe secundă sau în caractere pe secundă (s/s), dar această valoare nu este de natură tehnică, ci de referință, de consum.

Interfețele seriale sunt folosite pentru a conecta dispozitive lente (cele mai simple dispozitive de imprimare de calitate scăzută: dispozitive pentru introducerea și ieșirea informațiilor despre caracter și semnal, senzori de control, dispozitive de comunicație cu performanță scăzută etc.), precum și în cazurile în care nu există restricții semnificative privind durata schimbului de date (camere digitale).

A doua componentă principală a unui computer este memoria. Sistemul de memorie este construit sub forma unei ierarhii de straturi (Fig. 3.). Stratul superior este format din registrele interne ale procesorului central. Registrele interne oferă o capacitate de stocare de 32 x 32 de biți pe un procesor de 32 de biți și de 64 x 64 de biți pe un procesor de 64 de biți, care este mai puțin de un kilobyte în ambele cazuri. Programele în sine pot gestiona registrele (adică să decidă ce să stocheze în ele) fără intervenție hardware.

Fig.3. Tipic structura ierarhica memorie

Următorul strat conține memoria cache, care este controlată în principal de hardware. RAM este împărțită în linii cache, de obicei 64 de octeți, cu adrese de la 0 la 63 în linia zero, de la 64 la 127 în linia unu etc. Liniile cache utilizate cel mai frecvent sunt stocate în memoria cache de mare viteză situată în interiorul sau foarte aproape de CPU. Când un program trebuie să citească un cuvânt din memorie, cipul cache verifică dacă linia dorită este în cache. Dacă acesta este cazul, atunci are loc un acces efectiv la memoria cache, cererea este satisfăcută în întregime din cache, iar cererea de memorie nu este trimisă la magistrală. Un acces reușit la cache durează de obicei aproximativ două cicluri de ceas, în timp ce unul nereușit are ca rezultat un acces la memorie cu o pierdere semnificativă de timp. Memoria cache este limitată ca dimensiune datorită costului ridicat. Unele mașini au două sau chiar trei niveluri de cache, fiecare fiind mai lent și mai mare decât precedentul.

Urmează RAM (RAM - memorie cu acces aleatoriu, RAM engleză, Random Access Memory - memorie cu acces aleatoriu). Aceasta este principala zonă de lucru a dispozitivului de stocare al sistemului de calcul. Toate cererile CPU care nu pot fi îndeplinite de memoria cache sunt trimise în memoria principală pentru procesare. Când rulați mai multe programe pe un computer, este recomandabil să plasați programe complexe în RAM. Protejarea programelor între ele și mutarea lor în memorie se realizează prin dotarea calculatorului cu două registre specializate: registrul de bază și registrul limită.

În cel mai simplu caz (Fig. 4.a), când programul începe să funcționeze, registrul de bază este încărcat cu adresa de la începutul modulului de program executabil, iar registrul limită indică cât ocupă modulul de program executabil împreună cu datele. Când preia o comandă din memorie, hardware-ul verifică contorul programului, iar dacă acesta este mai mic decât registrul limită, îi adaugă valoarea registrului de bază și transferă suma în memorie. Când un program dorește să citească un cuvânt de date (de exemplu, de la adresa 10000), hardware-ul adaugă automat conținutul registrului de bază (de exemplu, 50000) la acea adresă și transferă suma (60000) în memorie. Registrul de bază permite unui program să facă referire la orice parte a memoriei după adresa stocată în acesta. În plus, registrul limită împiedică programul să acceseze orice parte a memoriei după program. Astfel, cu ajutorul acestei scheme se rezolvă ambele probleme: protecția și deplasarea programelor.

Ca urmare a verificării și transformării datelor, adresa generată de program și numită adresă virtuală este tradusă într-o adresă folosită de memorie și numită adresă fizică. Dispozitivul care efectuează verificarea și conversia se numește unitate de gestionare a memoriei sau manager de memorie (MMU, Memory Management Unit). Managerul de memorie este situat fie în circuitul procesorului, fie aproape de acesta, dar este situat în mod logic între procesor și memorie.

Un manager de memorie mai complex constă din două perechi de registre de bază și limită. O pereche este pentru textul programului, cealaltă pereche este pentru date. Registrul de comenzi și toate referințele la textul programului funcționează cu prima pereche de registre; referințele la date folosesc a doua pereche de registre. Datorită acestui mecanism, devine posibilă partajarea unui program între mai mulți utilizatori în timp ce se stochează o singură copie a programului în RAM, care este exclusă într-o schemă simplă. Când programul nr. 1 rulează, cele patru registre sunt localizate așa cum se arată în Fig. 4 (b) în stânga, când programul nr. 2 rulează - în dreapta. Gestionarea managerului de memorie este o funcție a sistemului de operare.

Următorul în structura memoriei este discul magnetic (hard disk). Memoria pe disc este cu două ordine de mărime mai ieftină decât RAM pe bit și este mai mare ca dimensiune, dar accesarea datelor aflate pe disc durează cu aproximativ trei ordine de mărime mai mult. Motivul vitezei reduse a unui hard disk este faptul că unitatea este o structură mecanică. Hard disk-ul este format din una sau mai multe plăci metalice care se rotesc cu o viteză de 5400, 7200 sau 10800 rpm (Fig. 5.). Informațiile sunt înregistrate pe plăci sub formă de cercuri concentrice. Capetele de citire/scriere din fiecare poziție dată pot citi un inel pe platou numit pistă. Împreună, șenile pentru o anumită poziție a furcii formează un cilindru.

Fiecare pistă este împărțită într-un număr de sectoare, de obicei 512 octeți per sector. Pe unități moderne cilindrii exteriori conțin mai multe sectoare decât cei interiori. Mutarea unui cap de la un cilindru la altul durează aproximativ 1 ms, iar trecerea la un cilindru aleatoriu durează între 5 și 10 ms, în funcție de unitate. Când capul este situat deasupra pistei dorite, trebuie să așteptați până când motorul rotește discul, astfel încât sectorul necesar să fie sub cap. Aceasta durează încă 5 până la 10 ms, în funcție de viteza de rotație a discului. Când un sector se află sub cap, procesul de citire sau scriere are loc la viteze cuprinse între 5 MB/s (pentru unități cu viteză mică) și 160 MB/s (pentru unități de mare viteză).

Ultimul strat este ocupat de bandă magnetică. Acest mediu a fost adesea folosit pentru a crea copii de rezervă spațiu pe hard disk sau stocare seturi mari date. Pentru a avea acces la informații, banda a fost introdusă într-un cititor de bandă magnetică, apoi a fost rebobinată la blocul de informații solicitat. Întregul proces a durat câteva minute. Ierarhia memoriei descrisă este tipică, dar în unele exemple de realizare nu toate nivelurile sau alte tipuri ale acestora pot fi prezente (de exemplu, un disc optic). În orice caz, atunci când treceți prin ierarhie de sus în jos, timpul de acces aleatoriu crește semnificativ de la dispozitiv la dispozitiv, iar capacitatea crește echivalent cu timpul de acces.

Pe lângă tipurile descrise mai sus, multe computere au memorie cu acces aleatoriu doar pentru citire (ROM, Read Only Memory), care nu își pierde conținutul atunci când sistemul computerizat este oprit. ROM-ul este programat în timpul producției și conținutul său nu poate fi modificat după aceea. Pe unele computere, ROM-ul conține programe de pornire utilizate pentru a porni computerul și unele carduri I/O pentru controlul dispozitivelor de nivel scăzut.

ROM-ul care se poate șterge electric (EEPROM, ROM Șterge electric) și RAM flash (RAM flash) sunt, de asemenea, nevolatile, dar, spre deosebire de ROM, conținutul lor poate fi șters și rescris. Cu toate acestea, scrierea datelor pe ele durează mult mai mult decât scrierea pe RAM. Prin urmare, ele sunt folosite exact în același mod ca și ROM-urile.

Există un alt tip de memorie - memoria CMOS, care este volatilă și este folosită pentru a stoca data curentă și ora curentă. Memoria este alimentată de o baterie încorporată în computer și poate conține parametri de configurare (de exemplu, indicând de pe ce hard disk să pornească).

3. Dispozitive I/O

Alte dispozitive care interacționează strâns cu sistemul de operare sunt dispozitivele de intrare/ieșire, care constau din două părți: controlerul și dispozitivul în sine. Controlerul este un microcircuit (chipset) pe o placă care este introdusă într-un conector, care primește și execută comenzi de la sistemul de operare.

De exemplu, controlerul primește o comandă pentru a citi un anumit sector de pe disc. Pentru a executa comanda, controlerul convertește numărul liniar al sectorului discului în numărul cilindrului, sectorului și capului. Operația de conversie este complicată de faptul că cilindrii exteriori pot avea mai multe sectoare decât cei interiori. Controlerul determină apoi ce cilindru este situat deasupra acest moment cap și oferă o secvență de impulsuri pentru a muta capul numărul necesar de cilindri. După care controlerul așteaptă ca discul să se rotească, plasând sectorul necesar sub cap. Apoi procesele de citire și stocare a biților pe măsură ce ajung de pe disc, procesele de eliminare a antetului și calcul suma de control. Apoi, controlerul colectează biții primiți în cuvinte și îi stochează în memorie. Pentru a efectua această muncă, controlerele conțin firmware încorporat.

Dispozitivul I/O în sine are o interfață simplă care trebuie să respecte standardul IDE unificat (IDE, Integrated Drive Electronics - interfață de unitate încorporată). Deoarece interfața dispozitivului este ascunsă de controler, sistemul de operare vede doar interfața controlerului, care poate diferi de interfața dispozitivului.

Din moment ce controlori pentru diferite dispozitive Dispozitivele I/O diferă unele de altele, apoi pentru a le gestiona aveți nevoie de software adecvat - drivere. Prin urmare, fiecare producător de controler trebuie să furnizeze drivere pentru controlerele pe care le suportă. sisteme de operare. Există trei moduri de a instala driverul în sistemul de operare:

Reconstruiți nucleul cu un driver nou și apoi reporniți sistemul, care este cât de multe sisteme UNIX funcționează;

Creați o intrare în fișierul inclus în sistemul de operare că este necesar un driver și reporniți sistemul; în timpul pornirii inițiale, sistemul de operare va găsi sofer necesarși descărcați-l; Așa funcționează sistemul de operare Windows;

Acceptați drivere noi și instalați-le rapid folosind sistemul de operare în timp ce acesta rulează; Această metodă este utilizată de magistralele detașabile USB și IEEE 1394, care necesită întotdeauna drivere încărcate dinamic.

Există anumite registre pentru comunicarea cu fiecare controler. De exemplu, un controler de disc minim poate avea registre pentru a specifica adresa discului, adresa de memorie, numărul sectorului și direcția de operare (citire sau scriere). Pentru a activa controlerul, driverul primește o comandă de la sistemul de operare, apoi o traduce în valori potrivite pentru scriere în registrele dispozitivului.

Pe unele computere, registrele dispozitivelor I/O sunt mapate la spațiul de adrese al sistemului de operare, astfel încât să poată fi citite sau scrise ca cuvinte obișnuite din memorie. Adresele de registru sunt plasate în RAM în afara accesului programelor utilizatorului pentru a proteja programele utilizatorului de hardware (de exemplu, folosind registrele de bază și limită).

Pe alte computere, registrele dispozitivului sunt localizate în porturi speciale I/O, iar fiecare registru are propria sa adresă de port. Pe astfel de mașini, comenzile IN și OUT sunt disponibile în modul privilegiat, care permit șoferilor să citească și să scrie registre. Prima schemă elimină necesitatea instrucțiunilor speciale I/O, dar utilizează un spațiu de adrese. A doua schemă nu afectează spațiul de adrese, dar necesită comenzi speciale. Ambele scheme sunt utilizate pe scară largă. Intrarea și ieșirea datelor se realizează în trei moduri.

1. Programul utilizator emite o cerere de sistem, pe care nucleul o traduce într-un apel de procedură pentru driverul corespunzător. Driverul începe apoi procesul I/O. În acest timp, driverul execută o buclă de program foarte scurtă, interogând în mod constant gradul de pregătire al dispozitivului cu care lucrează (de obicei există un bit care indică faptul că dispozitivul este încă ocupat). Când operațiunea de I/O se termină, driverul plasează datele acolo unde este nevoie și revine starea initiala. Sistemul de operare returnează apoi controlul programului care a efectuat apelul. Această metodă se numește așteptare pregătită sau așteptare activă și are un dezavantaj: procesorul trebuie să interogheze dispozitivul până când își finalizează activitatea.

2. Driverul pornește dispozitivul și îi cere să emită o întrerupere când I/O este finalizată. După aceasta, driverul returnează datele, sistemul de operare blochează programul de apelare, dacă este necesar, și începe să efectueze alte sarcini. Când controlerul detectează sfârșitul unui transfer de date, generează o întrerupere pentru a semnala finalizarea operațiunii. Mecanismul de implementare a input-output are loc după cum urmează (Fig. 6.a):

Pasul 1: șoferul transmite comanda către controler, scriind informații în registrele dispozitivului; Controlerul pornește dispozitivul I/O.

Pasul 2: După ce a terminat de citit sau de scris, controlerul trimite un semnal către cipul controlerului de întrerupere.

Pasul 3: Dacă controlerul de întrerupere este pregătit să primească o întrerupere, atunci trimite un semnal către un anumit pin al CPU.

Pasul 4: Controlerul de întrerupere plasează numărul dispozitivului I/O pe magistrală, astfel încât CPU-ul să-l poată citi și să știe ce dispozitiv și-a încheiat activitatea. Când CPU primește o întrerupere, conținutul contorului de program (PC) și al cuvintelor de stare a procesorului (PSW) sunt împins în stiva curentă, iar procesorul trece în modul privilegiat (modul nucleu al sistemului de operare). Numărul dispozitivului I/O poate fi folosit ca index pentru o parte din memorie folosită pentru a găsi adresa operatorului de întrerupere a acestui aparat. Această parte a memoriei se numește vector de întrerupere. Când handler-ul de întrerupere (partea driverului de dispozitiv care a trimis întreruperea) își începe lucrul, elimină contorul de program și cuvântul de stare a procesorului situat pe stivă, le salvează și solicită dispozitivului informații despre starea acestuia. După finalizarea procesării întreruperii, controlul revine la programul utilizator care rula înainte, la comanda a cărei execuție nu a fost încă finalizată (Fig. 6 b).

3.Pentru introducerea și ieșirea informațiilor, se folosește un controler de acces direct la memorie (DMA, Direct Memory Access), care controlează fluxul de biți dintre RAM și unele controlere fără intervenția constantă a procesorului central. Procesorul apelează cipul DMA, îi spune câți octeți de transferat, furnizează adresele de dispozitiv și de memorie și direcția transferului de date și lasă cipul să-și facă treaba lui. La finalizare, DMA emite o întrerupere, care este gestionată în mod corespunzător.

Întreruperile pot apărea în momente nepotrivite, cum ar fi în timp ce o altă întrerupere este procesată. Din acest motiv, procesorul are capacitatea de a dezactiva întreruperile și de a le activa mai târziu. În timp ce întreruperile sunt dezactivate, toate dispozitivele care și-au încheiat activitatea continuă să-și trimită semnalele, dar procesorul nu este întrerupt până când întreruperile sunt activate. Dacă mai multe dispozitive ies în același timp în timp ce întreruperile sunt dezactivate, controlerul de întrerupere decide care dintre ele trebuie procesat primul, de obicei pe baza priorităților statice atribuite fiecărui dispozitiv.

Sistemul de calcul Pentium are opt magistrale (magistrală cache, magistrală locală, magistrală de memorie, PCI, SCSI, USB, IDE și ISA). Fiecare magistrală are propria viteză de transfer de date și funcții. Sistemul de operare trebuie să conțină informații despre toate magistralele pentru a gestiona computerul și a-l configura.

Bus ISA (Industry Standard Architecture) - a apărut pentru prima dată pe computerele IBM PC/AT, funcționează la 8,33 MHz și poate transfera doi octeți pe ciclu de ceas cu o viteză maximă de 16,67 MB/s; este inclus în sistem pentru compatibilitate cu cele mai vechi carduri I/O lente.

Bus PCI (Peripheral Component Interconnect) - creat de Intel ca succesor al magistralei ISA, poate funcționa la o frecvență de 66 MHz și poate transfera 8 octeți pe ceas la o viteză de 528 MB/s. În prezent Autobuze PCI utilizați majoritatea dispozitivelor I/O de mare viteză, precum și computere cu procesoare non-Intel, deoarece multe carduri I/O sunt compatibile cu acesta.

Magistrala locală a unui sistem Pentium este folosită de CPU pentru a transfera date către cipul de punte PCI, care accesează memoria pe o magistrală de memorie dedicată, care rulează adesea la 100 MHz.

Autobuzul cache este folosit pentru a conecta memoria cache externă, deoarece sistemele Pentium au un cache de prim nivel (cache L1) încorporat în procesor și un cache extern mare de nivel al doilea (cache L2).

Autobuzul IDE este folosit pentru conectarea dispozitivelor periferice: discuri și cititoare de CD-ROM. Autobuzul este un descendent al interfeței controlerului de disc PC/AT și este în prezent standard pe toate sistemele bazate pe procesoare Pentium.

Autobuz USB (universal Autobuz serial, magistrală serială universală) este concepută pentru conectarea dispozitivelor lente de intrare/ieșire (tastatură, mouse) la un computer. Utilizează un mic conector cu patru fire cu două fire care furnizează energie dispozitivelor USB.

Autobuzul USB este o magistrală centralizată prin care dispozitivul gazdă interogează dispozitivele I/O la fiecare milisecundă pentru a vedea dacă au date. Poate gestiona descărcările de date cu o viteză de 1,5 MB/s. Toate dispozitivele USB folosesc același driver, astfel încât să poată fi conectate la sistem fără a-l reporni.

Bus-ul SCSI (Small Computer System Interface) este o magistrală de înaltă performanță utilizată pentru discuri rapide, scanere și alte dispozitive care necesită lățime de bandă semnificativă. Performanța sa ajunge la 160 MB/s. Bus-ul SCSI este utilizat pe sistemele Macintosh și este popular pe sistemele UNIX și alte sisteme bazate pe procesoare Intel.

Autobuzul IEEE 1394 (FireWire) este o magistrală serial pe biți și acceptă transferul de date sub formă de pachete la viteze de până la 50 MB/s. Această proprietate vă permite să conectați camere video digitale portabile și alte dispozitive multimedia la computer. Spre deosebire de anvelopă Autobuz USB IEEE 1394 nu are un controler central.

Sistemul de operare trebuie să fie capabil să recunoască componentele hardware și să le poată configura. Această cerinţă a condus Intelși Microsoft să dezvolte un sistem de computer personal numit plug and play. Înainte de acest sistem, fiecare placă I/O avea adrese fixe de registru I/O și un nivel de solicitare de întrerupere. De exemplu, tastatura a folosit întreruperea 1 și adresele în intervalul 0x60 până la 0x64; Controlerul de dischetă a folosit întreruperea 6 și adresează de la 0x3F0 la 0x3F7; imprimanta a folosit întreruperea 7 și adrese de la 0x378 la 0x37A.

Dacă utilizatorul a cumpărat placa de sunetși modem, s-a întâmplat ca aceste dispozitive să folosească din greșeală aceeași întrerupere. A existat un conflict, așa că dispozitivele nu au putut funcționa împreună. Soluție posibilă Era de a construi un set de comutatoare DIP (jumpers) în fiecare placă și de a configura fiecare placă, astfel încât adresele de porturi și numerele de întreruperi ale diferitelor dispozitive să nu intre în conflict între ele.

Plug and play permite sistemului de operare să colecteze automat informații despre dispozitivele I/O, să atribuie centralizat niveluri de întrerupere și adrese I/O și apoi să comunice aceste informații fiecărei plăci. Acest sistem rulează pe computere Pentium. Fiecare computer cu procesor Pentium conține placa de bază pe care se află programul - sistemul BIOS (Basic Input Output System). BIOS-ul conține programe I/O de nivel scăzut, inclusiv proceduri pentru citirea de la tastatură, pentru afișarea informațiilor pe ecran, pentru datele I/O de pe disc etc.

Când computerul pornește, pornește sistemul BIOS, care verifică cantitatea de RAM instalată în sistem, conexiunea și funcționarea corectă a tastaturii și a altor dispozitive principale. Apoi, BIOS-ul verifică magistralele ISA și PCI și toate dispozitivele conectate la acestea. Unele dintre aceste dispozitive sunt tradiționale (pre-plug and play). Au niveluri fixe de întrerupere și adresă portului I/O (de exemplu, setate folosind comutatoare sau jumperi de pe placa I/O și nu pot fi modificate de sistemul de operare). Aceste dispozitive sunt înregistrate, apoi sunt înregistrate dispozitivele plug and play. Dacă dispozitivele prezente sunt diferite de cele prezente în timpul ultimului boot, atunci sunt configurate noi dispozitive.

BIOS-ul determină apoi de pe ce dispozitiv să pornească încercând pe rând fiecare dintre listele stocate în memoria CMOS. Utilizatorul poate schimba această listă introducând programul de configurare BIOS imediat după pornire. De obicei, va încerca mai întâi să pornească de pe dischetă. Dacă acest lucru nu reușește, se încearcă CD-ul. Dacă computerul dvs. nu are atât o dischetă, cât și un CD, sistemul pornește de pe hard disk. Primul sector este citit în memorie de pe dispozitivul de pornire și executat. Acest sector conține un program care verifică tabelul de partiții de la sfârșitul sectorului de pornire pentru a determina ce partiție este activă. Bootloader-ul secundar este apoi citit din aceeași partiție. Citește sistemul de operare din partiția activă și îl pornește.

Sistemul de operare interogează apoi BIOS-ul pentru a obține informații despre configurația computerului și verifică prezența unui driver pentru fiecare dispozitiv. Dacă driverul lipsește, sistemul de operare cere utilizatorului să introducă o dischetă sau un CD care conține driverul (aceste discuri sunt furnizate de producătorul dispozitivului). Dacă toate driverele sunt la locul lor, sistemul de operare le încarcă în nucleu. Apoi inițializează tabelele de drivere, creează orice procese necesare în fundal și rulează programul de introducere a parolei sau GUI la fiecare terminal.

5. Istoria dezvoltării tehnologiei informatice

Toate computerele personale compatibile cu IBM sunt echipate cu procesoare compatibile cu Intel. Istoria dezvoltării microprocesoarelor din familia Intel este pe scurt după cum urmează. Primul microprocesor universal al Intel a apărut în 1970. Se numea Intel 4004, avea patru biți și avea capacitatea de a introduce/ieși și procesa cuvinte de patru biți. Viteza sa a fost de 8000 de operații pe secundă. Microprocesorul Intel 4004 a fost conceput pentru a fi utilizat în calculatoare programabile cu o dimensiune de memorie de 4 KB.

Trei ani mai târziu, Intel a lansat procesorul 8080, care putea deja efectua operații aritmetice pe 16 biți, avea o magistrală de adrese pe 16 biți și, prin urmare, putea adresa până la 64 KB de memorie (2.516 0 = 65536). 1978 a fost marcat de lansarea procesorului 8086 cu o dimensiune a cuvântului de 16 biți (doi octeți), o magistrală de 20 de biți și putea funcționa cu 1 MB de memorie (2 520 0 = 1048576, sau 1024 KB), împărțit în blocuri (segmente) a câte 64 KB fiecare. Procesorul 8086 a fost inclus în calculatoarele compatibile cu IBM PC și IBM PC/XT. Următorul pas major în dezvoltarea de noi microprocesoare a fost procesorul 8028b, care a apărut în 1982. Avea o magistrală de adrese pe 24 de biți, putea gestiona 16 megaocteți de spațiu de adrese și era instalat pe computere compatibile cu IBM PC/AT. În octombrie 1985, 80386DX a fost lansat cu o magistrală de adrese de 32 de biți (spațiu de adrese maxim 4 GB), iar în iunie 1988, a fost lansat 80386SX, care era mai ieftin decât 80386DX și avea o magistrală de adrese pe 24 de biți. Apoi în aprilie 1989 a apărut microprocesorul 80486DX, iar în mai 1993 a apărut prima versiune a procesorului Pentium (ambele cu magistrală de adrese pe 32 de biți).

În mai 1995, la Moscova, la expoziția internațională Comtec-95, Intel a prezentat procesor nou- P6.

Unul dintre cele mai importante obiective stabilite în timpul dezvoltării lui P6 a fost dublarea performanței procesorului Pentium. În același timp, producția primelor versiuni de P6 va fi realizată conform „Intel” deja depanat și utilizat în producție. ultimele versiuni Tehnologia semiconductoare Pentium (O,6 microni, 3,3 V).

Utilizarea aceluiași proces de fabricație asigură că P6 poate fi produs în masă fără probleme majore. Cu toate acestea, aceasta înseamnă că dublarea performanței este atinsă numai prin îmbunătățiri complete ale microarhitecturii procesorului. Microarhitectura P6 a fost proiectată folosind o combinație atent gândită și reglată de diferite tehnici arhitecturale. Unele dintre ele au fost testate anterior în procesoare ale computerelor mari, unele au fost propuse de instituții academice, iar restul au fost dezvoltate de inginerii Intel. Această combinație unică de caracteristici arhitecturale, la care Intel se referă ca „execuție dinamică”, a permis primelor matrițe P6 să depășească nivelurile de performanță planificate inițial.

În comparație cu procesoarele Intel alternative din familia x86, se dovedește că microarhitectura P6 are multe în comun cu microarhitectura Nx586 de la NexGen și procesoarele AMD K5 și, deși într-o măsură mai mică, cu M1 de la Cyrix. Această caracteristică comună se explică prin faptul că inginerii de la patru companii rezolvau aceeași problemă: introducerea elementelor tehnologiei RISC, menținând în același timp compatibilitatea cu arhitectura Intel x86 CISC.

Două cristale într-un singur pachet

Principalul avantaj și caracteristica unică a lui P6 este poziționarea acestuia in acelasi pachet cu procesorul exista o memorie cache statica secundara de 256 KB, conectata la procesor printr-un bus special dedicat. Acest design ar trebui să simplifice semnificativ proiectarea sistemelor bazate pe P6. P6 este primul microprocesor conceput pentru producția de masă care conține două cipuri într-un singur pachet.

Procesorul P6 conține 5,5 milioane de tranzistori; Cristal cache L2 - 15,5 milioane. Prin comparație, cel mai recent model Pentium a inclus aproximativ 3,3 milioane de tranzistori, iar cache-ul L2 a fost implementat folosind un set extern de matrițe de memorie.

Un număr atât de mare de tranzistori în cache se explică prin natura sa statică. Memoria statică a lui P6 folosește șase tranzistoare pentru a stoca un bit, în timp ce memoria dinamică ar avea nevoie doar de un tranzistor pe bit. Memoria statică este mai rapidă, dar mai scumpă. Deși numărul de tranzistori pe un cip cu un cache secundar este de trei ori mai mare decât pe un cip de procesor, dimensiunile fizice ale cache-ului sunt mai mici: 202 milimetri pătrați față de 306 pentru procesor. Ambele cristale sunt închise împreună într-un pachet ceramic cu 387 de contacte ("dual cavity pin-drid array"). Ambele matrițe sunt fabricate folosind aceeași tehnologie (0,6 µm, metal cu 4 straturi-BiCMOS, 2,9 V). Consumul maxim estimat de energie: 20 W la 133 MHz.

Primul motiv pentru a combina procesorul și memoria cache secundară într-un singur pachet este de a facilita proiectarea și producția de sisteme de înaltă performanță bazate pe P6. Performanța unui sistem de calcul construit pe baza procesor rapid, depinde foarte mult de reglarea fină a cipurilor mediului procesorului, în special de cache-ul secundar. Nu toate companiile producătoare de computere își pot permite cercetarea adecvată. În P6, cache-ul secundar este deja configurat optim pentru procesor, ceea ce simplifică designul plăcii de bază.

Al doilea motiv pentru fuziune este îmbunătățirea productivității. Procesorul de al doilea nivel este conectat la procesor printr-o magistrală special dedicată de 64 de biți și funcționează la aceeași frecvență de ceas ca și procesorul.

Primele procesoare Pentium la 60 și 66 MHz au accesat memoria cache secundară printr-o magistrală pe 64 de biți la aceeași viteză de ceas. Cu toate acestea, pe măsură ce viteza de ceas Pentium a crescut, a devenit prea dificil și costisitor pentru designeri să mențină astfel de viteze de ceas pe placa de bază. Prin urmare, au început să fie utilizate divizoare de frecvență. De exemplu, pentru un Pentium de 100 MHz, magistrala externă funcționează la o frecvență de 66 MHz (pentru un Pentium de 90 MHz, este de 60 MHz). Pentium folosește această magistrală atât pentru accesarea cache-ului secundar, cât și pentru accesarea memoriei principale și a altor dispozitive, cum ar fi chipsetul PCI.

Utilizarea unei magistrale dedicate pentru a accesa memoria cache secundară îmbunătățește performanța sistemului. În primul rând, se realizează sincronizarea completă a vitezei procesorului și magistralei; în al doilea rând, concurența cu alte operațiuni I/O și întârzierile asociate sunt eliminate. Magistrala cache L2 este complet separată de magistrala externă, prin care memorie și dispozitive externe. Autobuzul extern pe 64 de biți poate funcționa la jumătate, o treime sau un sfert din viteza procesorului, în timp ce magistrala cache secundară funcționează independent la viteză maximă.

Combinarea procesorului și a memoriei cache secundare într-un singur pachet și comunicarea acestora printr-o magistrală dedicată este un pas către tehnicile de îmbunătățire a performanței utilizate în cele mai puternice procesoare RISC. Astfel, în procesorul Alpha 21164 de la Digital, cache-ul de nivel al doilea de 96 kB se află în nucleul procesorului, la fel ca cache-ul primar. Acest lucru oferă performanțe foarte ridicate de cache prin creșterea numărului de tranzistori de pe cip la 9,3 milioane. Performanța Alpha 21164 este de 330 SPECint92 la 300 MHz. Performanța lui P6 este mai mică (Intel estimează 200 SPECint92 la 133 MHz), dar P6 oferă cel mai bun raport cost/performanță pentru piața potențială.

Când evaluăm raportul cost/performanță, merită luat în considerare faptul că, în timp ce P6 poate fi mai scump decât concurenții săi, majoritatea celorlalte procesoare trebuie să fie înconjurate de un set suplimentar de cipuri de memorie și un controler cache. În plus, pentru a obține performanțe comparabile în cache, alte procesoare vor trebui să utilizeze cache mai mari de 256 KB.

Intel oferă de obicei numeroase variante ale procesoarelor sale. Acest lucru se face pentru a satisface cerințele variate ale designerilor de sisteme și pentru a lăsa mai puțin spațiu pentru modelele concurente. Prin urmare, putem presupune că la scurt timp după începerea producției P6, atât modificări cu un volum crescut de memorie cache secundară, cât și modificări mai ieftine cu o locație externă a cache-ului secundar, dar cu o magistrală dedicată reținută între memoria cache secundară și procesorul, va apărea.

Pentium ca punct de plecare

Procesor Pentium cu pipeline și superscalar arhitectura a atins niveluri impresionante de performanță. Pentium conține două conducte în 5 etape care pot rula în paralel și pot executa două instrucțiuni întregi pe ciclu de ceas al mașinii. În acest caz, doar o pereche de comenzi pot fi executate în paralel, urmându-se în program și satisfăcând anumite reguli, de exemplu, absența dependențelor de registru de tipul „scriere după citire”.

În P6, pentru a crește debitul, a fost făcută o tranziție la o singură conductă cu 12 etape. Creșterea numărului de etape duce la o scădere a muncii prestate la fiecare etapă și, ca urmare, la o reducere a timpului petrecut de o echipă la fiecare etapă cu 33 la sută față de Pentium. Aceasta înseamnă că utilizarea aceleiași tehnologii folosite pentru a produce un P6 ca și un Pentium de 100 MHz ar avea ca rezultat un P6 tactat la 133 MHz.

Puterea arhitecturii superscalare a lui Pentium, cu capacitatea sa de a executa două instrucțiuni pe ceas, ar fi greu de învins fără o abordare complet nouă. Noua abordare a lui P6 elimină relația rigidă dintre fazele tradiționale „fetch” și „execute”, unde succesiunea comenzilor prin aceste două faze corespunde secvenței comenzilor din program.

Noua abordare presupune utilizarea așa-numitului pool de comandă și nou metode eficiente prezicerea comportamentului viitor al programului. În acest caz, faza tradițională de „execuție” este înlocuită cu două: „dispatching/execution” și „rollback”. Ca rezultat, comenzile pot începe executarea în orice ordine, dar întotdeauna își finalizează execuția în conformitate cu ordinea inițială din program. Nucleul P6 este implementat ca trei dispozitive independente care interacționează printr-un grup de comandă (Fig. 1).

Principala problemă în îmbunătățirea productivității

Decizia de a organiza P6 ca trei dispozitive independente care interacționează printr-un pool de instrucțiuni a fost luată după o analiză amănunțită a factorilor care limitează performanța microprocesoarelor moderne. Un fapt fundamental, adevărat pentru Pentium și multe alte procesoare, este că puterea procesorului nu este folosită la maximum atunci când se execută programe din lumea reală.

În timp ce vitezele procesorului au crescut de cel puțin 10 ori în ultimii 10 ani, timpii de acces la memoria principală au scăzut cu doar 60%. Această întârziere în creștere a vitezei memoriei în raport cu viteza procesorului a fost problema fundamentală care trebuia rezolvată la proiectarea lui P6.

O posibilă abordare pentru rezolvarea acestei probleme este de a-și muta atenția către dezvoltarea componentelor de înaltă performanță care înconjoară procesorul. Cu toate acestea, producția în masă a sistemelor care includ atât un procesor de înaltă performanță, cât și cipuri de mediu specializate de mare viteză ar fi prea costisitoare.

O posibilă soluție de forță brută ar putea fi creșterea dimensiunii cache-ului L2 pentru a reduce procentul de cazuri în care cache-ul ratează datele necesare.

Această soluție este eficientă, dar și extrem de costisitoare, mai ales având în vedere cerințele actuale de viteză pentru componentele cache L2. P6 a fost proiectat din punctul de vedere al implementării eficiente a unui sistem de calcul complet și a fost necesar ca performanța ridicată a întregului sistem să fie atinsă folosind un subsistem de memorie low-cost.

Prin urmare, Combinația P6 de tehnici arhitecturale, cum ar fi predicția îmbunătățită a ramurilor (următoarea secvență de comenzi este aproape întotdeauna determinată corect), analiza fluxului de date (se determină ordinea optimă de execuție a comenzilor) și execuția anticipată (secvența prezisă de comenzi este executată fără timp de nefuncționare). în ordinea optimă) performanţă dublată în raport cu Pentium folosind aceeaşi tehnologie de producţie. Această combinație de metode se numește execuție dinamică.

În prezent, Intel dezvoltă o nouă tehnologie de producție de 0,35 microni, care va face posibilă producerea procesoarelor P6 cu o viteză de ceas de bază de peste 200 MHz.

P6 ca platformă pentru construirea de servere puternice

Printre cele mai semnificative tendințele în dezvoltarea computerelor din ultimii ani pot fi evidențiate ca utilizarea tot mai mare a sistemelor bazate pe procesoarele din familia x86 ca servere de aplicații și rolul tot mai mare al Intel ca furnizor de tehnologii non-procesoare, cum ar fi autobuzele, tehnologii de rețea, compresie video, memorie flash și instrumente de administrare a sistemului.

Lansarea procesorului P6 continuă politica Intel de a aduce pe piața de masă capacități care se găseau anterior doar la computerele mai scumpe. Controlul parității este asigurat pentru registrele interne P6, iar magistrala pe 64 de biți care conectează nucleul procesorului și memoria cache de nivel al doilea este echipată cu instrumente de detectare și corectare a erorilor. Noile capabilități de diagnosticare încorporate în P6 permit producătorilor să proiecteze sisteme mai fiabile. P6 oferă posibilitatea de a obține informații prin contactele procesorului sau folosind software-ul despre mai mult de 100 de variabile ale procesorului sau evenimente care au loc în acesta, cum ar fi absența datelor în cache, conținutul registrelor, apariția unui cod auto-modificabil și curând. Sistemul de operare și alte programe pot citi aceste informații pentru a determina starea procesorului. P6 oferă, de asemenea, suport îmbunătățit pentru punctele de control, ceea ce înseamnă că computerul poate fi revenit la o stare înregistrată anterior dacă apare o eroare.

Documente similare

Tehnologia informatică a apărut cu mult timp în urmă, deoarece necesitatea diferitelor tipuri de calcule a existat în zorii dezvoltării civilizației. Dezvoltarea rapidă a tehnologiei informatice. Crearea primelor PC-uri, mini-calculatoare încă din anii 80 ai secolului XX.

rezumat, adăugat 25.09.2008


Caracteristicile sistemelor de întreținere tehnică și preventivă pentru echipamente informatice. Programe de diagnosticare pentru sisteme de operare. Interrelaţionarea sistemelor automate de control. Protejarea computerului de influențele externe adverse.

rezumat, adăugat 25.03.2015


Dezvoltarea unui sistem informatic și analitic pentru analiza și optimizarea configurației echipamentelor informatice. Structura controlului automat al echipamentelor informatice. Software, justificarea eficienței economice a proiectului.

teză, adăugată 20.05.2013


Etapa manuală a dezvoltării tehnologiei informatice. Sistemul numeric pozițional. Dezvoltarea mecanicii în secolul al XVII-lea. Etapa electromecanica de dezvoltare a tehnologiei informatice. Calculatoare din generația a cincea. Opțiuni și trăsături distinctive supercalculator.

lucrare curs, adaugat 18.04.2012


Structura și principiul de funcționare a unui computer personal (PC). Diagnosticarea performanței PC-ului și identificarea defecțiunilor. Sarcini întreținere facilitati informatice. Dezvoltarea metodelor de menținere a echipamentelor în stare de funcționare.

lucrare curs, adaugat 13.07.2011


Studiul practicilor străine și interne în dezvoltarea tehnologiei informatice, precum și perspectivele de dezvoltare a computerelor în viitorul apropiat. Tehnologii de utilizare a computerelor. Etapele dezvoltării industriei de calcul în țara noastră. Îmbinarea PC-ului și a comunicațiilor.

lucrare curs, adaugat 27.04.2013


Clasificarea procedurilor de proiectare. Istoria sintezei tehnologiei informatice și a proiectării inginerești. Funcțiile sistemelor de proiectare asistată de calculator, software-ul acestora. Caracteristici ale utilizării scanerelor, manipulatoarelor și imprimantelor tridimensionale.

rezumat, adăugat 25.12.2012


Automatizarea prelucrarii datelor. Informatica si rezultatele sale practice. Istoria creării tehnologiei informatice digitale. Calculatoare electromecanice. Utilizare tuburi vidși calculatoare din prima, a treia și a patra generație.

teză, adăugată 23.06.2009


Conceptul și caracteristicile unui computer personal, părțile sale principale și scopul lor. Instrumente de predare a informaticii și caracteristici de organizare a muncii într-o clasă de informatică. Echiparea locurilor de muncă și aplicarea de software.

rezumat, adăugat 07.09.2012


Compoziția unui sistem informatic este configurația computerului, hardware-ul și software-ul acestuia. Dispozitive și instrumente care formează configurația hardware a unui computer personal. Memorie principală, porturi I/O, adaptor periferic.