Sestava računalniške tehnologije. Osnovne značilnosti računalniške tehnologije. Zgodovina razvoja računalniške tehnologije

Koncept računalniške tehnologije je niz tehničnih in matematičnih sredstev, metod in tehnik, ki se uporabljajo za mehanizacijo in avtomatizacijo procesov izračunov in obdelave informacij. Osnovo tehničnih sredstev sodobnega računalništva sestavljajo elektronski računalniki (računalniki), vhodne, izhodne, predstavitvene in prenosne naprave (skenerji, tiskalniki, modemi, monitorji, risalniki, tipkovnice, magnetni trakovi in ​​diskovni pogoni itd.), prenosni računalniki, mikrokalkulatorji, elektronski zvezki itd.

Osebni računalnik je namizni ali prenosni enouporabniški mikroračunalnik, ki izpolnjuje zahtevo univerzalne dostopnosti in univerzalnosti.

Osnova osebnega računalnika je mikroprocesor. Razvoj mikroprocesorske tehnike in tehnologije je določil spremembo generacij osebnih računalnikov:

1. generacija (1975 – 1980) – temelji na 8-bitnem MP;

2. generacija (1981 – 1985) – temelji na 16-bitnem MP;

3. generacija (1986 – 1992) – temelji na 32-bitnem MP;

4. generacija (od 1993) – temelji na 64-bitnem MP.

Danes je računalniški svet na pragu revolucije: procesorji z novo generacijo tranzistorjev in močni mobilni čipi bo zmogljivost prenosnikov, tablic in pametnih telefonov povečala za red velikosti.

Procesorski elementi z merami 10 in 12 nm bodo v prihodnjem letu popolnoma spremenili računalniški svet: njihova debelina je 10.000-krat manjša od človeškega lasu (100.000 nm), njihov premer pa je blizu atomom silicija (0,3 nm).

Glavni proizvajalci mikroprocesorjev za osebne računalnike so trenutno še vedno:

Intel je pionir pri ustvarjanju in proizvodnji sodobnih procesorjev. Danes so najbolj priljubljeni osebni računalniki na trgu dragih računalnikov osebni računalniki s procesorji, ki temeljijo na večjedrni arhitekturi. Intel Core.

Aprila 2012 je Intel predstavil 3. generacijo družine štirijedrnih procesorjev Intel® Core™, ki je na voljo v zmogljivih namizni sistemi profesionalni razred ter mobilni in tanki računalniki vse-v-enem, ki vsebujejo prve 22nm čipe na svetu, ki uporabljajo tranzistorje Tri-Gate 3D.

AMD (Advanced Micro Deviced) je najbolj pravi tekmec Intelu. Do nedavnega je na računalniškem trgu zavzemal nišo s poceni, a hitrimi procesorji, namenjenimi predvsem poceni računalnikom in nadgradnjam.

Z nastankom leta 1999 procesorja Athlon, procesorjev Thunderbird, Polamino, Thoroughbred, Barton in po letu 2003 procesorjev serije K8 je začel resno konkurirati Intelu. Danes obe podjetji proizvajata kakovosten izdelek, ki lahko zadovolji potrebe skoraj vsakega zahtevnega uporabnika.

Trenutno je približno 85% osebnih računalnikov izdelanih na osnovi teh procesorjev. Glede na namen jih lahko razdelimo v tri skupine:

Gospodinjstvo, namenjeno množični porabi in ima najpreprostejšo osnovno konfiguracijo;

Splošni namen, namenjen reševanju znanstvenih, tehničnih, gospodarskih in drugih problemov ter usposabljanju. Ta razred je najbolj razširjen in ga praviloma uporabljajo nepoklicni uporabniki;

Strokovnjak, ki se uporablja na znanstvenem področju za reševanje kompleksnih informacijskih in proizvodnih problemov. Imajo visoke tehnične lastnosti in jih servisirajo profesionalni uporabniki.

Poleg tega so osebni računalniki glede na zasnovo razdeljeni na:

LAPTOP računalniki (»prenosni« računalnik). V prenosnem računalniku sta tipkovnica in sistemska enota izdelani v enem ohišju, ki je na vrhu zaprto s pokrovom z LCD zaslonom. Večina modelov se po svojih tehničnih parametrih ne razlikuje na bolje in ima enobarvne zaslone;

NOTEBOOK (»zvezki«). Najnovejši modeli imajo precej visoke tehnične parametre, primerljive z osebnimi računalniki za splošno uporabo ( Jedrni procesorji i7-3612QM, video do 6144 Mb, trdi diski – HDD nad 600 GB ali SSD do 256 GB;

ULTRABUK (angleško Ultrabook) je ultra tanek in lahek prenosnik, s še manjšimi dimenzijami in težo v primerjavi z običajnimi podprenosniki, a hkrati - večino značilnih lastnosti polnopravnega prenosnika. Izraz se je začel močno širiti leta 2011, potem ko je korporacija Intel predstavila nov razred mobilnih računalnikov - ultrabooke, koncept Intela in Appla, razvit na podlagi tistega, izdanega leta 2008. Apple prenosnik MacBook Air. Ultrabooki so manjši od navadnih prenosnikov, a nekoliko večji od netbookov. Opremljeni so z majhnim zaslonom s tekočimi kristali od 11 do 13,3 palcev, so kompaktni - debeline do 20 mm in tehtajo do 2 kg. Ultrabooki imajo zaradi svoje majhnosti malo zunanjih vrat in večina nima pogona DVD.

Netbook je prenosnik z razmeroma nizko zmogljivostjo, zasnovan predvsem za dostop do interneta in delo s pisarniškimi aplikacijami. Ima majhno diagonalo zaslona 7-12 palcev, nizko porabo energije, majhno težo in relativno nizke stroške.

Načelo delovanja sodobnih osebnih računalnikov lahko opišemo z naslednjim algoritmom:

JAZ. Inicializacija

Po vklopu računalnika, nalaganju OS in potrebnega programa se števcu programa dodeli začetna vrednost, ki je enaka naslovu prvega ukaza tega programa.

II. Izbor ekipe

CPE izvede operacijo branja ukaza iz pomnilnika. Vsebina programskega števca se uporablja kot naslov pomnilniške celice.

III. Interpretirajte ukaz in povečajte programski števec

CPE interpretira vsebino prebrane pomnilniške celice kot ukaz in jo shrani v register ukazov. Krmilna enota začne interpretirati ukaz. Na podlagi polja kode operacije iz prve besede ukaza CU določi njegovo dolžino in po potrebi organizira dodatne operacije branja, dokler CPU ne prebere celotnega ukaza. Dolžina ukaza se doda vsebini programskega števca in ko je ukaz v celoti prebran, se v programskem števcu ustvari naslov naslednjega ukaza.

IV. Dešifriranje in izvajanje ukazov

S pomočjo naslovnih polj ukaza krmilna enota ugotovi, ali ima ukaz v pomnilniku operande. Če je, potem se na podlagi načinov naslavljanja, določenih v naslovnih poljih, izračunajo naslovi operandov in izvedejo operacije branja pomnilnika za branje operandov.

Krmilna enota in ALU izvedeta operacijo, določeno v polju operacijske kode ukaza. Register zastavic procesorja hrani značilnosti operacije.

V. Če je potrebno, kontrolor izvede operacija zapisovanja rezultata v pomnilnik.

Če zadnji ukaz ni bil "ustavi procesor", se ponovno izvede opisano zaporedje operacij. To zaporedje operacij se imenuje cikel procesorja .

V določenih računalnikih se lahko izvedba tega algoritma nekoliko razlikuje. Toda načeloma je delovanje katerega koli von Neumannovega računalnika opisano s podobnim algoritmom in je zaporedje dokaj preprostih operacij.

Računalnik vključuje tri glavne naprave: sistemska enota, tipkovnica in zaslon . Za razširitev funkcionalnosti računalnika so dodatno priključene periferne naprave: tiskalnik, skener, manipulatorji itd. Te naprave so povezane s sistemsko enoto prek kablov prek konektorjev na zadnji steni sistemska enota, ali pa so vstavljeni neposredno v sistemsko enoto. Računalnik ima modularno zgradbo. Vsi moduli so povezani na sistemsko vodilo.

Uporablja se za nadzor zunanjih naprav krmilniki (VU adapterji) . Po prejemu ukaza od MP krmilnik, ki deluje avtonomno, osvobodi MP izvajanja določenih funkcij za servisiranje zunanje naprave.

Opozoriti je treba, da je povečanje zmogljivosti sodobnega MP in posameznih naprav, ki niso na njem (glavni in zunanji pomnilnik, video sistemi itd.), povzročilo problem povečanja pasovna širina sistemskega vodila pri povezovanju teh naprav. Za rešitev tega problema so bili razviti lokalni avtobusi, povezani neposredno z MP busom.

Glavna naprava v osebnem računalniku je sistemska enota . Sestavljen je iz CPE, koprocesorja, trajnega in pomnilnik z naključnim dostopom, krmilniki, magnetni diski, napajalniki in drugi funkcionalni moduli. Konfiguracijo osebnega računalnika je mogoče spremeniti s priključitvijo dodatnih modulov. Za zagotovitev doslednega delovanja računalniških naprav matična plošča vsebuje nabor čipov, tj. komplet mikrovezij (čipov).

Nabor čipov določa glavne zmogljivosti plošče:

· vrste podprtih procesorjev;

· največja frekvenca sistemskega vodila;

· logika preklopa naprav;

podprte vrste in največja velikost glavni pomnilnik;

· hitrost dela z vsako vrsto pomnilnika;

· podpora za pospešena grafična vrata;

· vrsta diskovnega vmesnika in njegovi načini;

· največje število razširitvenih rež;

· Računalniško spremljanje.

Nabor čipov sodobnega osebnega računalnika je običajno sestavljen iz dveh čipov: severnega mostu ali pomnilniškega krmilnika (Memory Controller Hub, MCH), ki služi centralnim napravam in vsebuje krmilnike za glavni pomnilnik, grafično vodilo, sistemsko vodilo in pomnilniško vodilo ter južni most (South Bridge) ali I/O Controller Hub (ICH), ki vsebuje krmilnike za V/I naprave in standard periferne naprave.

Funkcionalna shema računalnika - Glede na namen računalnik - To je univerzalna naprava za delo z informacijami. Po načelih zasnove je računalnik model človeka, ki dela z informacijami.

Osebni računalnik(PC) je računalnik, ki služi eni delovni postaji. Njegove značilnosti se lahko razlikujejo od velikih računalnikov, vendar je funkcionalno sposoben izvajati podobne operacije. Glede na način delovanja ločimo modele namiznih (desktop), prenosnih (laptop in notebook) in žepnih (palmtop) osebnih računalnikov.

Strojna oprema. Ker računalnik zagotavlja vse tri razrede informacijskih metod za delo s podatki (strojne, programske in naravne), je običajno govoriti o računalniškem sistemu kot o sestavljenem iz strojne in programske opreme, ki delujeta skupaj. Komponente, ki sestavljajo strojno opremo računalnika, se imenujejo strojna oprema. Opravljajo vsa fizična dela s podatki: registracijo, shranjevanje, transport in preoblikovanje, tako oblikovno kot vsebinsko ter jih tudi predstavijo v obliki, primerni za interakcijo z naravnimi. informacijske metode oseba.

Celotno strojno opremo računalnika imenujemo konfiguracija strojne opreme.

Programska oprema. Programi so lahko v dveh stanjih: aktivni in pasivni. V pasivnem stanju program ne deluje in je videti kot podatek, katerega vsebina je informacija. V tem stanju lahko vsebino programa »berejo« drugi programi, kot se berejo knjige, in jih spreminjajo. Iz njega lahko ugotovite namen programa in kako deluje. V pasivnem stanju se programi ustvarjajo, urejajo, shranjujejo in prenašajo. Proces ustvarjanja in urejanja programov imenujemo programiranje.

Ko je program v aktivnem stanju, se vsebina njegovih podatkov obravnava kot ukazi, po katerih deluje strojna oprema računalnika. Če želite spremeniti vrstni red njihovega delovanja, je dovolj, da prekinete izvajanje enega programa in začnete z izvajanjem drugega, ki vsebuje drugačen niz ukazov.

Sestavlja ga niz programov, shranjenih v računalniku programsko opremo. Nabor programov, pripravljenih za delovanje, imenujemo nameščena programska oprema. Nabor programov, ki se izvajajo ob enem ali drugem času, se imenuje konfiguracija programske opreme.

Računalniška naprava. Vsak računalnik (tudi največji) je sestavljen iz štirih delov:

• vhodne naprave
• naprave za obdelavo informacij
• naprave za shranjevanje
• naprave za izhod informacij.

Strukturno so ti deli lahko združeni v enem ohišju velikosti knjige ali pa je vsak del sestavljen iz več precej obsežnih naprav

Osnovna konfiguracija strojne opreme osebnega računalnika. Osnovna strojna konfiguracija osebnega računalnika je minimalni nabor strojne opreme, ki zadostuje za začetek dela z računalnikom. Sčasoma se koncept osnovne konfiguracije postopoma spreminja.

Najpogosteje osebni računalnik sestavljajo naslednje naprave:

• Sistemska enota
• Monitor
• Tipkovnica

Poleg tega lahko na primer priključite druge vhodne in izhodne naprave zvočniki, tiskalnik, skener...

Sistemska enota- glavni blok računalniški sistem. Vsebuje naprave, ki se štejejo za notranje. Naprave, ki so na sistemsko enoto povezane zunaj, se štejejo za zunanje. Izraz periferna oprema se uporablja tudi za zunanje naprave.
Monitor- naprava za vizualno reprodukcijo simbolnih in grafične informacije. Služi kot izhodna naprava. Za namizne računalnike so danes najpogostejši monitorji, ki temeljijo na katodnih ceveh. Nejasno so podobni gospodinjskim televizorjem.
Tipkovnica- tipkovnica, namenjena nadzoru delovanja računalnika in vnašanju informacij vanj. Informacije se vnašajo v obliki alfanumeričnih znakov.
Miška- grafična krmilna naprava.

Notranje naprave osebnega računalnika.
Naprave, ki se nahajajo v sistemski enoti, se štejejo za notranje. Nekateri od njih so dostopni na sprednji plošči, kar je priročno za hitre spremembe informacijski mediji, kot so diskete z magnetnimi diski. Priključki nekaterih naprav se nahajajo na zadnji steni - uporabljajo se za povezavo periferne opreme. Dostop do nekaterih naprav sistemske enote ni zagotovljen - ni potreben za normalno delovanje.

procesor. Mikroprocesor je glavni čip osebnega računalnika. Vsi izračuni se izvajajo v njem. Glavna značilnost procesorja je taktna frekvenca (merjena v megahercih, MHz). Višji kot je takt, večja je zmogljivost procesorja. Tako lahko na primer pri taktni frekvenci 500 MHz procesor spremeni svojo
stanje 500-milijonkrat. Za večino operacij en takt ni dovolj, zato število operacij, ki jih lahko procesor izvede na sekundo, ni odvisno samo od takta, ampak tudi od kompleksnosti operacij.

Edina naprava, za obstoj katere procesor »ve od rojstva«, je RAM - deluje skupaj z njim. Od tod prihajajo podatki in ukazi. Podatki se prekopirajo v celice procesorja (imenovane registri) in nato pretvorijo v skladu z vsebino navodil. V poglavjih o osnovah programiranja boste dobili popolnejšo sliko o interakciji procesorja z RAM-om.

OVEN. RAM si lahko predstavljamo kot obsežen nabor celic, ki shranjujejo številske podatke in ukaze, ko je računalnik vklopljen. Količina RAM-a se meri v milijonih bajtov – megabajtih (MB).

Procesor lahko dostopa do katere koli celice (bajta) RAM-a, ker ima edinstven številski naslov. Procesor ne more dostopati do posameznega bita RAM-a, ker bit nima naslova. Hkrati lahko procesor spremeni stanje katerega koli bita, vendar to zahteva več dejanj.

Matična plošča. Matična plošča je največje vezje osebnega računalnika. Vsebuje avtoceste, ki povezujejo procesor z RAM-om - tako imenovana vodila. Obstaja podatkovno vodilo, prek katerega procesor kopira podatke iz pomnilniških celic, naslovno vodilo, prek katerega se povezuje z določenimi pomnilniškimi celicami, in ukazno vodilo, prek katerega procesor sprejema ukaze iz programov. Na vodila matične plošče so povezane tudi vse druge notranje naprave računalnika. Delovanje matične plošče nadzoruje mikroprocesorski nabor čipov - tako imenovani nabor čipov.

Video adapter. Video adapter je notranja naprava, nameščena v enem od priključkov na matični plošči. Prvi osebni računalniki niso imeli video adapterjev. Namesto tega je bilo v RAM-u dodeljeno majhno območje za shranjevanje video podatkov. Poseben čip (video krmilnik) je bral podatke iz video pomnilniških celic in v skladu z njimi krmilil monitor.

Ko so se grafične zmogljivosti računalnikov izboljšale, se je območje video pomnilnika ločilo od glavnega RAM-a in je bilo skupaj z video krmilnikom ločeno v ločeno napravo, ki so jo imenovali video adapter. Sodobni video adapterji imajo svoj računalniški procesor (video procesor), ki je zmanjšal obremenitev glavnega procesorja pri gradnji kompleksnih slik. Video procesor ima posebno pomembno vlogo pri gradnji na ravnem zaslonu. 3D slike. Med takšnimi operacijami mora opraviti še posebno veliko matematičnih izračunov.

V nekaterih modelih matičnih plošč funkcije video adapterja opravljajo čipi nabora čipov - v tem primeru pravijo, da je video adapter integriran z matična plošča. Če je video adapter izdelan kot ločena naprava, se imenuje video kartica. Priključek za video kartico se nahaja na zadnji steni. Nanj je priključen monitor.

Zvočni adapter. Za računalnike IBM PC delo z zvokom sprva ni bilo zagotovljeno. V prvih desetih letih obstoja so računalniki te platforme veljali za pisarniško opremo in brez zvočnih naprav. Trenutno zvočna orodja veljajo za standardna. Če želite to narediti na matična plošča Zvočni adapter je nameščen. Lahko se integrira v nabor čipov matične plošče ali implementira kot ločena vtična kartica, imenovana zvočna kartica.
Priključki zvočne kartice se nahajajo na zadnji steni računalnika. Za predvajanje zvoka so nanje priključeni zvočniki ali slušalke. Ločen konektor je namenjen za priključitev mikrofona. V prisotnosti poseben program to vam omogoča snemanje zvoka. Obstaja tudi konektor (linijski izhod) za povezavo z zunanjo opremo za snemanje ali reprodukcijo zvoka (kasetofoni, ojačevalniki itd.).

HDD. Ker se RAM računalnika ob izklopu izprazni, je potrebna naprava za dolgotrajno shranjevanje podatkov in programov. Trenutno se za te namene pogosto uporabljajo tako imenovani trdi diski.
Princip delovanja trdi disk temelji na beleženju sprememb magnetnega polja v bližini snemalne glave.

Glavni trdi parameter Zmogljivost diska se meri v gigabajtih (milijardah bajtov), ​​GB. Povprečna velikost sodobnega trdega diska je 80 - 160 GB in ta parameter vztrajno narašča.

Disketni pogon. Za prenos podatkov med oddaljenimi računalniki se uporabljajo tako imenovane diskete. Standardna disketa (disketa) ima razmeroma majhno kapaciteto 1,44 MB. Po sodobnih standardih je to povsem premalo za večino nalog shranjevanja in transporta podatkov, vendar so diskete zaradi nizke cene medijev in visoke razpoložljivosti postale najpogostejši mediji za shranjevanje.

Za pisanje in branje podatkov, shranjenih na disketah, se uporablja posebna naprava - diskovni pogon. Luknja za sprejem pogona se nahaja na sprednji plošči sistemske enote.

CD-ROM pogon. Za prenos velikih količin podatkov je primerna uporaba CD-ROM-ov. Ti diski lahko berejo samo predhodno zapisane podatke; nanje ni mogoče zapisovati. Kapaciteta enega diska je približno 650-700 MB.

Pogoni CD-ROM se uporabljajo za branje CD-jev. Glavni parameter pogona CD-ROM je hitrost branja. Meri se v več enotah. Hitrost branja, odobrena sredi 80-ih, se vzame kot ena. za glasbene zgoščenke (avdio zgoščenke). Sodobni CD-ROM pogoni zagotavljajo hitrost branja od 40x do 52x.
Glavna pomanjkljivost CD-ROM pogoni- nezmožnost snemanja diskov - je presežena v sodobnih enkrat zapisovalnih napravah - CD-R. Obstajajo tudi naprave CD-RW, ki omogočajo večkratno snemanje.

Načelo shranjevanja podatkov na CD-jih ni magnetno, kot diskete, temveč optično.

Komunikacijska vrata. Za komunikacijo z drugimi napravami, kot so tiskalnik, optični bralnik, tipkovnica, miška itd., je računalnik opremljen s tako imenovanimi vrati. Vrata niso samo priključek za priključitev zunanje opreme, čeprav se vrata končajo s priključkom. Vrata so bolj zapletena naprava kot le priključek, saj imajo lastna mikrovezja in jih nadzira programska oprema.

Omrežni adapter. Omrežni adapterji so potrebni, da lahko računalniki med seboj komunicirajo. Ta naprava zagotavlja, da procesor ne pošlje novega dela podatkov na zunanja vrata, dokler omrežna kartica sosednjega računalnika ne kopira prejšnjega dela vase. Po tem prejme procesor signal, da so bili podatki zbrani in se lahko oddajo novi. Tako poteka prenos.

Ko omrežni adapter od sosednjega adapterja »izve«, da ima podatek, ga kopira vase in nato preveri, ali je naslovljen nanj. Če da, jih posreduje procesorju. Če ne, jih postavi na izhodna vrata, od koder jih pobere omrežna kartica naslednjega sosednjega računalnika. Tako se podatki premikajo med računalniki, dokler ne dosežejo prejemnika.
Omrežni adapterji so lahko vgrajeni v matično ploščo, vendar so pogosteje nameščeni ločeno, v obliki dodatnih kartic, imenovanih omrežne kartice.

Elektronski računalniki so običajno razvrščeni glede na številne značilnosti, zlasti: funkcionalnost in naravo nalog, ki se rešujejo, glede na način organizacije računalniški proces, glede na arhitekturne značilnosti in računalniško moč.

Glede na funkcionalnost in naravo nalog, ki jih rešujemo, ločimo naslednje:

Univerzalni (splošni) računalniki;

Problemsko usmerjeni računalniki;

Specializirani računalniki.

Glavni računalniki so zasnovani za reševanje najrazličnejših inženirskih in tehničnih problemov, za katere je značilna kompleksnost algoritmov in velika količina obdelanih podatkov.

Problemsko usmerjeni računalniki so namenjeni reševanju ožjega kroga nalog, povezanih z registracijo, zbiranjem in obdelavo manjših količin podatkov.

Specializirani računalniki se uporabljajo za reševanje ozkega kroga problemov (mikroprocesorji in krmilniki, ki opravljajo krmilne funkcije tehničnih naprav).

Z načinom organizacije računalniškega procesa Računalnike delimo na enoprocesorske in večprocesorske ter na sekvenčne in vzporedne.

Enoprocesorski. Računalnik ima en centralni procesor in vse računalniške operacije ter operacije za krmiljenje vhodno/izhodnih naprav se izvajajo na tem procesorju.

Večprocesor. Računalnik vsebuje več procesorjev, med katerimi so prerazporejene funkcije za organizacijo računalniškega procesa in upravljanje informacijskih vhodno-izhodnih naprav.

Dosledno. Delujejo v enoprogramskem načinu, ko je računalnik zasnovan tako, da lahko izvaja samo en program, vsi njegovi viri pa se uporabljajo samo v interesu programa, ki se izvaja.

Vzporedno. Delujejo v večprogramskem načinu, ko se na računalniku izvaja več uporabniških programov in si ti programi delijo vire, kar zagotavlja njihovo vzporedno izvajanje.

Glede na arhitekturne značilnosti in računalniško moč jih ločimo:

Oglejmo si shemo za razvrščanje računalnikov po tem kriteriju (slika 1).

Slika 1. Razvrstitev računalnikov glede na arhitekturne značilnosti

in računalniško moč.

Superračunalniki- To so najmočnejši računalniški stroji glede hitrosti in zmogljivosti. Superračunalniki vključujejo "Cray" in "IBM SP2" (ZDA). Uporabljajo se za reševanje obsežnih računalniških problemov in modeliranja, za kompleksne izračune v aerodinamiki, meteorologiji, fiziki visokih energij, uporabljajo pa se tudi v finančnem sektorju.

Veliki stroji ali veliki računalniki. Glavni računalniki se uporabljajo v finančnem sektorju, obrambnem kompleksu in se uporabljajo za osebje oddelkov, teritorialnih in regionalnih računalniških centrov.

Srednji računalnikiširoko uporablja za nadzor kompleksnih tehnoloških proizvodnih procesov.

Miniračunalnik izdelani za uporabo kot nadzorni računalniški sistemi in omrežni strežniki.

Mikroračunalnik- To so računalniki, ki kot centralno procesno enoto uporabljajo mikroprocesor. Sem sodijo vgrajeni mikroračunalniki (vgrajeni v različno opremo, opremo ali naprave) in osebni računalniki (PC).

Osebni računalniki. V zadnjih 20 letih se je hitro razvila. Osebni računalnik (PC) je zasnovan tako, da služi eni delovni postaji in lahko zadovolji potrebe malih podjetij in posameznikov. S prihodom interneta se je priljubljenost osebnih računalnikov močno povečala, saj lahko z osebnim računalnikom uporabljate znanstvene, referenčne, izobraževalne in zabavne informacije.

Osebni računalniki vključujejo namizne in prenosne računalnike. Med prenosne računalnike spadajo Notebook (beležnica oz Beležnica) in žepnih osebnih računalnikov (Personal Computers Handheld - Handheld PC, Personal Digital Assistants - PDA and Palmtop).

Vgrajeni računalniki. Računalniki, ki se uporabljajo v različnih napravah, sistemih in kompleksih za izvajanje določenih funkcij. Na primer, diagnostika avtomobilov.

Od leta 1999 se za razvrščanje osebnih računalnikov uporablja mednarodni certifikacijski standard, specifikacija PC99. V skladu s to specifikacijo so osebni računalniki razdeljeni v naslednje skupine:

· masovni osebni računalniki (Potrošniški osebni računalniki);

· poslovni osebni računalniki (Office PC);

· prenosni osebni računalniki (Mobile PC);

· delovne postaje (WorkStation);

· zabavni osebni računalniki (Entertaiment PC).

Večina osebnih računalnikov je zelo veliko in vključujejo standardni (najmanjši zahtevani) nabor strojne opreme. Ta komplet vključuje: sistemsko enoto, zaslon, tipkovnico, miško. Če je potrebno, lahko ta komplet enostavno dopolnite z drugimi napravami na zahtevo uporabnika, na primer s tiskalnikom.

Poslovni osebni računalniki vključujejo minimalno grafiko in orodja za reprodukcijo zvoka.

Prenosni računalniki razlikujejo po prisotnosti komunikacijskih sredstev oddaljenega dostopa.

Delovne postaje izpolnjujejo povečane zahteve glede pomnilniške zmogljivosti naprav za shranjevanje podatkov.

Računalniki za zabavo osredotočen na visokokakovostno grafiko in reprodukcijo zvoka.

Avtor: oblikovne značilnosti Osebne računalnike delimo na:

· stacionarni (namizje, Desktop);

prenosni:

· prenosni (prenosni računalnik);

· zvezki;

· žep (Palmtop).

Za učinkovit študij uporabne računalniške tehnologije je izjemno pomembno jasno razumevanje računalniške strojne in programske opreme. Sestava računalniške tehnologije se imenuje konfiguracijo . Strojna oprema in programsko opremo Računalniška tehnologija se običajno obravnava ločeno. V skladu s tem obravnavajo ločeno konfiguracijo strojne opreme in njih programsko opremo konfiguracijo To načelo ločevanja je še posebej pomembno za računalništvo, saj lahko zelo pogosto rešitve istih problemov nudita tako strojna kot programska oprema. Kriteriji za izbiro strojne ali programske rešitve sta zmogljivost in učinkovitost. Na primer, vnesite besedilo v urejevalnik besedila ali uporabite optični bralnik.

Osnovna konfiguracija strojne opreme osebnega računalnika

Osebni računalnik – univerzalen tehnični sistem. Njegovo konfiguracijo (sestava opreme) se lahko po potrebi prilagodljivo spreminja. Vendar pa obstaja koncept osnovna konfiguracija , ki velja za tipično, tj. minimalni nabor opreme. Računalnik je običajno opremljen s tem kompletom. Koncept osnovne konfiguracije se lahko razlikuje. Trenutno velja za osnovno konfiguracijo naslednje naprave(Slika 2.1.):

Oglejmo si njegove dele.

Na glavno tehnična sredstva osebni računalnik vključuje:

- sistemska enota;

- monitor (zaslon);

- tipkovnica.

Poleg tega se lahko povežete z računalnikom, na primer:

- tiskalnik;

- miška;

- skener;

- modem (modulator-demodulator);

- risalnik;

- igralna palica itd.

Sistemska enota

Sistemska enota je glavna enota, znotraj katere so nameščene najpomembnejše komponente. Sistemska enota (glej sliko 2.2., 2.3.) je primer, v katerem se nahaja skoraj vsa strojna oprema računalnika.

Imenujejo se naprave, ki se nahajajo znotraj sistemske enote notranji, naprave, ki so nanj povezane od zunaj, pa se imenujejo zunanji. Zunanji dodatne naprave, imenovan tudi periferni.

Notranja organizacija sistemska enota:

· matična plošča;

· HDD:

· disketni pogon;

· CD-ROM pogon;

· video kartica (video adapter);

· zvočna kartica;

· pogonska enota.

Sistemi, ki se nahajajo na matična plošča:

· OVEN;

· procesor;

· ROM čip in sistem BIOS;

· vmesniki vodil itd.

Magnetni diski so za razliko od RAM-a zasnovani za trajno shranjevanje informacij.

V osebnih računalnikih se uporabljata dve vrsti magnetnih diskov:

· neodstranljiv trdi disk (trdi disk);

· odstranljive, gibljive diske (diskete).

Trdi disk je namenjen trajnemu shranjevanju informacij, ki se bolj ali manj pogosto uporabljajo pri delu: programi operacijskega sistema, prevajalniki iz programskih jezikov, servisni (vzdrževalni) programi, uporabniški aplikativni programi, besedilni dokumenti, datoteke baze podatkov itd. Trdi disk je bistveno boljši od disket glede hitrosti dostopa, zmogljivosti in zanesljivosti.

3. Računalniška tehnologija 1

3.1 Zgodovina razvoja računalniške tehnologije 1

3.2 Metode za razvrščanje računalnikov 3

3.3 Druge vrste računalniške klasifikacije 5

3.4 Sestava računalniškega sistema 7

3.4.1 Strojna oprema 7

3.4.2 Programska oprema 7

3.5 Klasifikacija aplikacijske programske opreme 9

3.6 Razvrstitev pomožne programske opreme 12

3.7 Koncept informacijske in matematične podpore računalniških sistemov 13

3.8 Povzetek 13

1. Računalniški inženiring

   1. Zgodovina razvoja računalniške tehnologije

Računalniški sistem, računalnik

Iskanje sredstev in metod za mehanizacijo in avtomatizacijo dela je ena glavnih nalog tehničnih disciplin. Avtomatizacija dela s podatki ima svoje značilnosti in razlike od avtomatizacije drugih vrst dela. Za ta razred nalog se uporabljajo posebne vrste naprav, med katerimi so večinoma elektronske naprave. Nabor naprav, namenjenih avtomatski ali avtomatizirani obdelavi podatkov, se imenuje računalniška tehnologija, Imenuje se določen nabor medsebojno delujočih naprav in programov, ki služijo enemu delovnemu področju računalniški sistem. Centralna naprava večine računalniških sistemov je računalnik.

Računalnik je elektronska naprava, zasnovana za avtomatsko ustvarjanje, shranjevanje, obdelavo in prenos podatkov.

Kako deluje računalnik

Pri opredelitvi računalnika kot naprave smo navedli značilnost, ki jo definira - elektronski. Vendar samodejnih izračunov niso vedno izvajale elektronske naprave. Znane so tudi mehanske naprave, ki lahko samodejno izvajajo izračune.

analiziranje zgodnja zgodovina računalniške tehnologije nekateri tuji raziskovalci pogosto imenujejo mehansko računsko napravo kot starodavno predhodnico računalnika abakus. Pristop »iz abakusa« kaže na globoko metodološko zmoto, saj abakus nima lastnosti avtomatskega izvajanja izračunov, za računalnik pa je odločilen.

Abakus je najzgodnejša mehanska naprava za štetje, prvotno glinena plošča z utori, v katere so bili vstavljeni kamni, ki so predstavljali števila. Pojav abakusa sega v četrto tisočletje pred našim štetjem. e. Kraj izvora se šteje za Azijo. V srednjem veku so v Evropi abakus nadomestile grafične tabele. Izračuni z njihovo uporabo so bili imenovani štetje na črtah in v Rusiji v 16.-17. stoletju se je pojavil veliko naprednejši izum, ki se uporablja še danes - Ruski abakus.

Hkrati pa dobro poznamo še eno napravo, ki lahko samodejno izvaja izračune - uro. Ne glede na princip delovanja imajo vse vrste ur (peščene ure, vodne ure, mehanske, električne, elektronske itd.) možnost generiranja gibov ali signalov v rednih intervalih in beleženje posledičnih sprememb, to je avtomatsko seštevanje signalov. ali gibanja. Ta princip lahko opazimo tudi pri sončnih urah, ki vsebujejo le snemalno napravo (vlogo generatorja opravlja sistem Zemlja-Sonce).

Mehanska ura je naprava, sestavljena iz naprave, ki samodejno izvaja gibe v rednih določenih intervalih, in naprave za beleženje teh gibov. Kraj, kjer so se pojavile prve mehanske ure, ni znan. Najzgodnejši primeri segajo v 14. stoletje in pripadajo samostanom (stolpna ura).

V središču vsakega sodobnega računalnika, kot v elektronska ura, laži generator ure, generiranje električnih signalov v rednih intervalih, ki se uporabljajo za pogon vseh naprav v računalniškem sistemu. Upravljanje računalnika se dejansko spušča na upravljanje porazdelitve signalov med napravami. Takšen nadzor se lahko izvaja samodejno (v tem primeru govorimo o nadzor programa) ali ročno z uporabo zunanjih upravljalnih elementov - gumbov, stikal, mostičkov itd. (v zgodnjih modelih). V sodobnih računalnikih je zunanje krmiljenje v veliki meri avtomatizirano s posebnimi strojno-logičnimi vmesniki, na katere so priključene krmilne in vnosne naprave (tipkovnica, miška, krmilna palica in druge). V nasprotju s programskim krmiljenjem se tako krmiljenje imenuje interaktivni.

Mehanski viri

Na osnovi mehanske ure je bila ustvarjena prva avtomatska naprava na svetu za izvajanje operacije dodajanja. Leta 1623 ga je razvil Wilhelm Schickard, profesor na oddelku za orientalske jezike na Univerzi v Tübingenu (Nemčija). Danes je bil delujoč model naprave reproduciran iz risb in je potrdil njeno funkcionalnost. Izumitelj sam je stroj v svojih pismih imenoval "seštevalna ura".

Leta 1642 je francoski mehanik Blaise Pascal (1623-1662) razvil kompaktnejši seštevalec, ki je postal prvi serijsko izdelan mehanski kalkulator na svetu (predvsem za potrebe pariških dninarjev in menjalnikov). Leta 1673 je nemški matematik in filozof G. W. Leibniz (1646-1717) izdelal mehanski kalkulator, ki je lahko izvajal operacije množenja in deljenja tako, da je vedno znova ponavljal operacije seštevanja in odštevanja.

V 18. stoletju, znanem kot doba razsvetljenstva, so se pojavili novi, naprednejši modeli, vendar je princip mehanskega nadzora računalniških operacij ostal enak. Zamisel o programiranju računalniških operacij je prišla iz iste industrije ur. Starodavna samostanska stolpna ura je bila nastavljena tako, da ob določenem času vklopi mehanizem, povezan s sistemom zvonov. Takšno programiranje je bilo težko - ista operacija je bila izvedena istočasno.

Zamisel o fleksibilnem programiranju mehanskih naprav z uporabo perforiranega papirnega traku je bila prvič realizirana leta 1804 v statvah Jacquard, nato pa je bil le en korak do nadzor programa računske operacije.

Ta korak je naredil izjemni angleški matematik in izumitelj Charles Babbage (1792-1871) v svojem Analitičnem stroju, ki ga izumitelj za časa svojega življenja žal ni nikoli v celoti sestavil, ampak je bil v naših dneh reproduciran po njegovih risbah, tako da da imamo danes pravico govoriti o analitičnem stroju kot o resnično obstoječi napravi. Posebnost analitičnega stroja je bila, da je bil prvi implementiran princip delitve informacij na ukaze in podatke. Analitični motor je vseboval dve veliki enoti - "skladišče" in "mlin". Podatki so bili vneseni v mehanski pomnilnik "skladišča" z namestitvijo blokov zobnikov, nato pa obdelani v "mlinu" z ukazi, ki so bili vneseni iz perforiranih kartic (kot pri statvah Jacquard).

Raziskovalci dela Charlesa Babbagea vsekakor ugotavljajo posebno vlogo grofice Auguste Ade Lovelace (1815-1852), hčerke slavnega pesnika Lorda Byrona, pri razvoju projekta Analytical Engine. Prav ona je prišla na idejo o uporabi perforiranih kartic za programiranje računalniških operacij (1843). Zlasti je v enem od svojih pisem zapisala: »Analitični stroj tke algebraične vzorce na enak način, kot statve reproducirajo rože in liste.« Lady Ado lahko upravičeno imenujemo prva programerka na svetu. Danes je eden od znanih programskih jezikov poimenovan po njej.

Ideja Charlesa Babbagea o ločeni obravnavi ekipe in podatke se je izkazalo za nenavadno plodno. V 20. stoletju razvilo se je v načelih Johna von Neumanna (1941), danes pa v računalništvu načelo ločenega upoštevanja programi in podatke je zelo pomembno. Upošteva se tako pri razvoju arhitektur sodobnih računalnikov kot pri razvoju računalniških programov.

Matematični viri

Če pomislimo, s kakšnimi predmeti so delali prvi mehanski predhodniki sodobnega elektronskega računalnika, moramo priznati, da so bila števila predstavljena bodisi v obliki linearnih gibov verižnih in zobatih mehanizmov bodisi v obliki kotnih gibov zobniških in vzvodnih mehanizmov. . V obeh primerih je šlo za premike, kar pa ni moglo ne vplivati ​​na dimenzije naprav in hitrost njihovega delovanja. Šele prehod s snemanja gibov na snemanje signalov je omogočil bistveno zmanjšanje dimenzij in povečanje zmogljivosti. Vendar pa je bilo na poti do tega dosežka potrebno uvesti še več pomembnih načel in konceptov.

Leibnizov binarni sistem. V mehanskih napravah imajo zobniki lahko precej fiksnih in, kar je najpomembnejše, različna med predstavljajo rezervacije. Število takih položajev je najmanj enako številu zob zobnikov. V električnih in elektronske naprave govorimo o ne glede registracije določbe strukturnih elementov in o registraciji države elementi naprave. Tako stabilen in razločljiv Stanji sta samo dve: vklopljeno - izklopljeno; odprto - zaprto; napolnjeno - izpraznjeno itd. Zato je tradicionalni decimalni sistem, ki se uporablja v mehanskih kalkulatorjih, nepriročen za elektronske računalniške naprave.

Možnost predstavitve poljubnih števil (in ne samo števil) z binarnimi ciframi je prvi predlagal Gottfried Wilhelm Leibniz leta 1666. Do binarnega številskega sistema je prišel med raziskovanjem filozofskega koncepta enotnosti in boja nasprotij. Poskus, da bi si vesolje predstavljal v obliki neprekinjenega medsebojnega delovanja dveh principov ("črnega" in "belega", moškega in ženskega, dobrega in zla) in uporabil metode "čiste" matematike za njegovo preučevanje, je Leibniza spodbudil k študiju lastnosti binarne predstavitve podatkov. Povedati je treba, da je Leibniz že razmišljal o možnosti uporabe binarnega sistema v računalniški napravi, a ker za mehanske naprave to ni bilo potrebno, ni uporabil principov binarnega sistema v svojem kalkulatorju (1673) .

Matematična logika Georgea Boola, Ko govorimo o delu Georgea Boola, raziskovalci zgodovine računalniške tehnologije vsekakor poudarjajo, da je bil ta izjemen angleški znanstvenik prve polovice 19. stoletja samouk. Morda je prav zaradi pomanjkanja »klasične« (tedanje pojmovane) izobrazbe George Boole uvedel revolucionarne spremembe v logiko kot znanost.

Pri proučevanju zakonov mišljenja je uporabil sistem formalnih zapisov in pravil v logiki, ki je bil blizu matematičnemu. Kasneje ta sistem imenujemo logična algebra oz Boolov algebra. Pravila tega sistema veljajo za najrazličnejše predmete in njihove skupine (kompleti, po avtorjevi terminologiji). Glavni namen sistema, kot ga je zamislil J. Boole, je bil kodirati logične izjave in reducirati strukture logičnih sklepov na preproste izraze, ki so po obliki blizu matematičnim formulam. Rezultat formalnega vrednotenja logičnega izraza je ena od dveh logičnih vrednosti: prav oz laž.

Pomen logične algebre je bil dolgo zanemarjen, saj njene tehnike in metode niso vsebovale praktičnih koristi za znanost in tehnologijo tistega časa. Ko pa se je pojavila temeljna možnost ustvarjanja računalniške tehnologije na elektronski osnovi, so se operacije, ki jih je uvedel Boole, izkazale za zelo uporabne. Na začetku so osredotočeni na delo le z dvema entitetama: prav in laž. Ni težko razumeti, kako so bili uporabni za delo z binarno kodo, ki jo tudi v sodobnih računalnikih predstavljata samo dva signala: nič in enota.

Za izdelavo elektronskih računalnikov niso bili uporabljeni vsi sistemi Georgea Boola (niti vse logične operacije, ki jih je predlagal), ampak štiri glavne operacije: in (križišče), ALI (Zveza), NE (pritožba) in IZKLJUČNO ALI - tvorita osnovo delovanja vseh vrst procesorjev v sodobnih računalnikih.

riž. 3.1. Osnovne operacije logične algebre

Klasifikacija računalniške opreme

1. Strojna oprema

Sestavo računalniškega sistema imenujemo konfiguracija. Računalniška strojna in programska oprema se običajno obravnavata ločeno. V skladu s tem se konfiguracija strojne opreme računalniških sistemov in konfiguracija njihove programske opreme obravnavata ločeno. To načelo ločevanja je še posebej pomembno za računalništvo, saj lahko zelo pogosto rešitve istih problemov nudita tako strojna kot programska oprema. Kriteriji za izbiro strojne ali programske rešitve sta zmogljivost in učinkovitost. Splošno velja, da so strojne rešitve v povprečju dražje, izvedba programske rešitve zahteva več visoko usposobljenega osebja.

TO strojna oprema računalniški sistemi vključujejo naprave in instrumente, ki tvorijo konfiguracijo strojne opreme. Sodobni računalniki in računalniški sistemi imajo blok-modularno zasnovo - konfiguracijo strojne opreme, ki je potrebna za izvedbo posebne vrste delo, ki ga je mogoče sestaviti iz že pripravljenih enot in blokov.

Glavne komponente strojne opreme računalniškega sistema so: pomnilnik, centralni procesor in periferne naprave, ki so med seboj povezane s sistemskim vodilom (slika 1.) Glavni pomnilnik je namenjen shranjevanju programov in podatkov v binarni obliki in je organiziran v obliki urejenega niza celic, od katerih ima vsaka edinstven digitalni naslov. Običajno je velikost celice 1 bajt. Tipične operacije v glavnem pomnilniku: branje in pisanje vsebine celice z določenim naslovom.

2. Centralni procesor

Centralna procesna enota je osrednja enota računalnika, ki izvaja operacije obdelave podatkov in nadzoruje periferne naprave računalnika. Centralni procesor vključuje:

Nadzorna naprava - organizira proces izvajanja programa in usklajuje interakcijo vseh naprav računalniškega sistema med njegovim delovanjem;

Aritmetično-logična enota - izvaja aritmetične in logične operacije s podatki: seštevanje, odštevanje, množenje, deljenje, primerjanje itd.;

Naprava za shranjevanje - je notranji pomnilnik procesor, ki je sestavljen iz registrov, pri uporabi pa procesor izvaja izračune in shranjuje vmesne rezultate; Za pospešitev dela z RAM-om se uporablja predpomnilnik, v katerega se vnaprej črpajo ukazi in podatki iz RAM-a, potrebni za procesor za nadaljnje operacije;

Urni generator - ustvarja električne impulze, ki sinhronizirajo delovanje vseh računalniških vozlišč.

Centralni procesor izvaja različne operacije s podatki z uporabo specializiranih celic za shranjevanje ključnih spremenljivk in začasnih rezultatov - notranjih registrov. Registri so razdeljeni na dve vrsti (slika 2.):

Splošni registri - uporabljajo se za začasno shranjevanje ključnih lokalnih spremenljivk in vmesnih rezultatov izračunov, vključujejo podatkovne registre in kazalne registre; glavna funkcija je zagotoviti hiter dostop do pogosto uporabljenih podatkov (običajno brez dostopa do pomnilnika).

Specializirani registri - uporabljajo se za nadzor delovanja procesorja, najpomembnejši med njimi so: register ukazov, kazalec sklada, register zastavic in register, ki vsebuje podatke o stanju programa.

Programer lahko po lastni presoji uporablja podatkovne registre za začasno shranjevanje kakršnih koli objektov (podatkov ali naslovov) in na njih izvaja zahtevane operacije. Indeksne registre je tako kot podatkovne registre mogoče uporabiti na kakršen koli način; njihov glavni namen je shranjevanje indeksov ali odmikov podatkov in navodil od začetka osnovnega naslova (pri pridobivanju operandov iz pomnilnika). Osnovni naslov je lahko v osnovnih registrih.

Segmentni registri so kritičen element procesorske arhitekture, saj zagotavljajo naslavljanje 20-bitnega naslovnega prostora z uporabo 16-bitnih operandov. Glavni segmentni registri: CS - kodni segmentni register; DS - register podatkovnih segmentov; SS je register segmentov sklada, ES je register dodatnih segmentov. Do pomnilnika se dostopa prek segmentov - logičnih tvorb, ki so prekrite s katerimkoli delom fizičnega naslovnega prostora. Začetni naslov segmenta, deljen s 16 (brez najmanj pomembnega šestnajstiškega mesta), se vnese v enega od segmentnih registrov; po katerem je zagotovljen dostop do pomnilniškega odseka, ki se začne z navedenim naslovom segmenta.

Naslov katere koli pomnilniške celice je sestavljen iz dveh besed, od katerih ena določa lokacijo v pomnilniku ustreznega segmenta, druga pa odmik znotraj tega segmenta. Velikost segmenta je določena s količino podatkov, ki jih vsebuje, vendar nikoli ne sme preseči 64 KB, ki je določena z največjo možno vrednostjo odmika. Naslov segmenta segmenta navodil je shranjen v registru CS, odmik do naslovljenega bajta pa je shranjen v registru kazalca ukazov IP.

Slika 2. 32-bitni procesorski registri

Po nalaganju programa se v IP vnese odmik prvega ukaza programa. Procesor, ko ga prebere iz pomnilnika, poveča vsebino IP točno za dolžino tega ukaza (instrukcije procesorja Intel so lahko dolge od 1 do 6 bajtov), ​​zaradi česar IP kaže na drugo navodilo programa. . Po izvedbi prvega ukaza procesor prebere drugega iz pomnilnika in znova poveča vrednost IP. Posledično IP vedno vsebuje odmik naslednjega ukaza - ukaza, ki sledi tistemu, ki se izvaja. Opisani algoritem je kršen le pri izvajanju navodil za skok, klicih podprogramov in servisiranju prekinitev.

Naslov segmenta podatkovnega segmenta je shranjen v registru DS, odmik je lahko v enem od registrov splošnega namena. Dodatni segmentni register ES se uporablja za dostop do podatkovnih polj, ki niso vključena v program, kot so video medpomnilnik ali sistemske celice. Po potrebi pa se lahko konfigurira za enega od programskih segmentov. Na primer, če program dela z veliko količino podatkov, lahko zanju zagotovite dva segmenta in do enega dostopate prek registra DS, do drugega pa prek registra ES.

Register kazalca sklada SP se uporablja kot kazalec na vrh sklada. Sklad je programsko področje za začasno shranjevanje poljubnih podatkov. Priročnost sklada je v dejstvu, da se njegovo območje uporablja večkrat, shranjevanje podatkov na sklad in njihovo pridobivanje od tam pa se izvaja z ukazoma push in pop brez navajanja imen. Sklad se tradicionalno uporablja za shranjevanje vsebine registrov, ki jih uporablja program, preden pokliče podprogram, ki bo nato uporabil registre procesorja za lastne namene. Izvirna vsebina registrov se po vrnitvi podprograma odstrani iz sklada. Druga običajna tehnika je posredovanje parametrov, ki jih zahteva, v podprogram prek sklada. Podprogram, ki ve, v kakšnem vrstnem redu so parametri postavljeni na sklad, jih lahko vzame od tam in jih uporabi med svojim izvajanjem.

Posebna značilnost sklada je edinstven vrstni red, v katerem so podatki, vsebovani v njem, pridobljeni: v danem trenutku je v skladu na voljo samo zgornji element, to je element, ki je bil nazadnje naložen v sklad. Če izstopite zgornji element iz sklada, postane na voljo naslednji element. Elementi sklada se nahajajo v pomnilniškem območju, dodeljenem za sklad, začenši z dna sklada (na njegovem največjem naslovu) pri zaporedno padajočih naslovih. Naslov zgornjega dostopnega elementa je shranjen v registru kazalca sklada SP.

Posebni registri so na voljo samo v privilegiranem načinu in jih uporablja operacijski sistem. Nadzorujejo različne bloke predpomnilnika, glavni pomnilnik, vhodno/izhodne naprave in druge naprave v računalniškem sistemu.

Obstaja en register, ki je dostopen v privilegiranem in uporabniškem načinu. To je register PSW (Program State Word), ki se imenuje register zastavic. Register zastavic vsebuje različne bite, ki jih potrebuje centralni procesor, najpomembnejši so kode pogojev, ki se uporabljajo pri primerjavah in pogojnih skokih, nastavljene so v vsakem ciklu procesorske aritmetično-logične enote in odražajo stanje rezultata prejšnjega. delovanje. Vsebina registra zastavic je odvisna od vrste računalniškega sistema in lahko vključuje dodatna polja, ki označujejo: strojni način (na primer uporabniški ali privilegiran); sledilni bit (ki se uporablja za odpravljanje napak); stopnja prioritete procesorja; stanje omogočitve prekinitve. Register zastavic se običajno bere v uporabniškem načinu, nekatera polja pa je mogoče zapisati samo v privilegiranem načinu (na primer bit, ki označuje način).

Register kazalca ukazov vsebuje naslov naslednjega ukaza v čakalni vrsti za izvedbo. Po izbiri ukaza iz pomnilnika se register ukazov prilagodi in kazalec premakne na naslednji ukaz. Kazalec ukaza spremlja potek izvajanja programa in v vsakem trenutku kaže relativni naslov ukaza, ki sledi tistemu, ki se izvaja. Register ni programsko dostopen; Prirast naslova v njem izvede mikroprocesor ob upoštevanju dolžine trenutnega ukaza. Ukazi za skoke, prekinitve, klicanje podprogramov in vračanje iz njih spremenijo vsebino kazalca in s tem naredijo prehode na zahtevane točke v programu.

Akumulatorski register se uporablja v veliki večini navodil. Pogosto uporabljeni ukazi, ki uporabljajo ta register, imajo skrajšano obliko.

Za obdelavo informacij se podatki običajno prenesejo iz pomnilniških celic v registre splošnega namena, pri čemer se izvede operacija centralni procesor in prenos rezultatov v glavni pomnilnik. Programi so shranjeni kot zaporedje strojnih ukazov, ki jih mora izvesti centralni procesor. Vsak ukaz je sestavljen iz operacijskega polja in operandnih polj – podatkov, na katerih se izvaja operacija. Niz strojnih navodil se imenuje strojni jezik. Programi se izvajajo na naslednji način. Strojni ukaz, na katerega kaže programski števec, se prebere iz pomnilnika in prekopira v register ukazov, kjer se dekodira in nato izvrši. Po njegovi izvedbi programski števec kaže na naslednji ukaz itd. Ta dejanja se imenujejo strojni cikel.

Večina centralnih procesorjev ima dva načina delovanja: način jedra in uporabniški način, ki je določen z bitom v statusni besedi procesorja (register zastavic). Če procesor deluje v jedrnem načinu, lahko izvede vse ukaze v naboru navodil in uporabi vse zmožnosti strojne opreme. Operacijski sistem deluje v načinu jedra in omogoča dostop do vse strojne opreme. Uporabniški programi se izvajajo v uporabniškem načinu, ki omogoča izvajanje številnih ukazov, vendar daje na voljo le del strojne opreme.

Za komunikacijo z operacijskim sistemom mora uporabniški program izdati sistemski klic, ki vstopi v način jedra in aktivira funkcije operacijskega sistema. Ukaz trap (emulirana prekinitev) preklopi način delovanja procesorja iz uporabniškega v način jedra in prenese nadzor na operacijski sistem. Po končanem delu se nadzor vrne v uporabniški program, na ukaz, ki sledi sistemskemu klicu.

V računalnikih poleg navodil za izvajanje sistemskih klicev obstajajo prekinitve, ki jih kliče strojna oprema, da opozori na izjemne situacije, kot je poskus deljenja z ničlo ali prelivanje s plavajočo vejico. V vseh takih primerih nadzor preide na operacijski sistem, ki se mora odločiti, kaj storiti naprej. Včasih morate prekiniti program s sporočilom o napaki, včasih ga lahko prezrete (na primer, če število izgubi pomen, ga lahko nastavite na nič) ali prenesete nadzor na sam program za obravnavo določenih vrst pogojev.

Glede na razporeditev naprav glede na centralni procesor ločimo notranje in zunanje naprave. Zunanje so praviloma večina vhodno/izhodnih naprav (imenovanih tudi periferne naprave) in nekatere naprave, namenjene dolgoročnemu shranjevanju podatkov.

Koordinacija med posameznimi vozlišči in bloki se izvaja s pomočjo prehodnih strojno-logičnih naprav, imenovanih strojni vmesniki. Standardi za strojne vmesnike v računalništvu se imenujejo protokoli – niz tehničnih pogojev, ki jih morajo zagotoviti razvijalci naprav za uspešno usklajevanje njihovega delovanja z drugimi napravami.

Številne vmesnike, ki so prisotni v arhitekturi katerega koli računalniškega sistema, lahko razdelimo v dve veliki skupini: serijske in vzporedne. Prek serijskega vmesnika se podatki prenašajo zaporedno, bit za bitom, prek vzporednega vmesnika pa - sočasno v skupinah bitov. Število bitov, vključenih v eno sporočilo, je določeno s širino vmesnika; na primer, osem-bitni vzporedni vmesniki prenašajo en bajt (8 bitov) na cikel.

Vzporedni vmesniki so običajno bolj zapleteni kot serijski vmesniki, vendar zagotavljajo večjo zmogljivost. Uporabljajo se tam, kjer je pomembna hitrost prenosa podatkov: za priklop tiskalnih naprav, grafičnih vnosnih naprav, naprav za zapisovanje podatkov na zunanje medije itd. Zmogljivost vzporednih vmesnikov se meri v bajtih na sekundo (bajt/s; KB/s; MB/s).

Naprava serijski vmesniki lažje; praviloma ne potrebujejo sinhronizacije delovanja oddajnih in sprejemnih naprav (zato jih pogosto imenujemo asinhroni vmesniki), vendar je njihova prepustnost manjša in koeficient koristno dejanje spodaj. Ker se izmenjava podatkov prek serijskih naprav ne izvaja po bajtih, ampak po bitih, se njihova zmogljivost meri v bitih na sekundo (bps, Kbps, Mbps). Kljub navidezni preprostosti pretvorbe enot hitrosti serijskega prenosa v enote hitrosti vzporednega prenosa podatkov z mehanskim deljenjem z 8, se taka pretvorba ne izvede, ker ni pravilna zaradi prisotnosti servisnih podatkov. V skrajnem primeru, prilagojeno servisnim podatkom, je včasih hitrost serijskih naprav izražena v znakih na sekundo ali v znakih na sekundo (s/s), vendar ta vrednost ni tehnične, temveč referenčne, potrošniške narave.

Serijski vmesniki se uporabljajo za povezovanje počasnih naprav (najenostavnejših nizkokakovostnih tiskalnih naprav: naprav za vnos in izpis znakovnih in signalnih informacij, krmilnih senzorjev, nizko zmogljivih komunikacijskih naprav itd.), pa tudi v primerih, ko ni znatne omejitve glede trajanja izmenjave podatkov (digitalni fotoaparati).

Druga glavna komponenta računalnika je pomnilnik. Pomnilniški sistem je zgrajen v obliki hierarhije plasti (slika 3.). Zgornjo plast sestavljajo notranji registri centralnega procesorja. Notranji registri zagotavljajo kapaciteto shranjevanja 32 x 32 bitov pri 32-bitnem procesorju in 64 x 64 bitov pri 64-bitnem procesorju, kar je v obeh primerih manj kot en kilobajt. Programi lahko sami upravljajo registre (torej odločajo, kaj bodo vanje shranili) brez posega strojne opreme.

Slika 3. Tipično hierarhično strukturo spomin

Naslednja plast vsebuje predpomnilnik, ki ga v glavnem nadzoruje strojna oprema. RAM je razdeljen na vrstice predpomnilnika, običajno 64 bajtov, z naslovi od 0 do 63 v ničelni vrstici, od 64 do 127 v prvi vrstici itd. Najpogosteje uporabljene vrstice predpomnilnika so shranjene v hitrem predpomnilniku, ki se nahaja znotraj ali zelo blizu CPE. Ko mora program prebrati besedo iz pomnilnika, čip predpomnilnika preveri, ali je želena vrstica v predpomnilniku. Če je temu tako, pride do učinkovitega dostopa do predpomnilnika, zahteva je v celoti izpolnjena iz predpomnilnika in zahteva po pomnilniku ni poslana na vodilo. Uspešen dostop do predpomnilnika običajno traja približno dva takta, medtem ko neuspešen povzroči dostop do pomnilnika s precejšnjo izgubo časa. Predpomnilnik ima omejeno velikost zaradi visokih stroškov. Nekateri stroji imajo dve ali celo tri ravni predpomnilnika, pri čemer je vsaka počasnejša in večja od prejšnje.

Sledi RAM (RAM - pomnilnik z naključnim dostopom, angleško RAM, Random Access Memory - pomnilnik z naključnim dostopom). To je glavno delovno področje pomnilniške naprave računalniškega sistema. Vse zahteve procesorja, ki jih predpomnilnik ne more izpolniti, se pošljejo v glavni pomnilnik v obdelavo. Pri izvajanju več programov v računalniku je priporočljivo, da kompleksne programe postavite v RAM. Zaščita programov drug pred drugim in njihovo premikanje v pomnilniku se izvaja tako, da se računalnik opremi z dvema specializiranima registroma: osnovnim registrom in mejnim registrom.

V najpreprostejšem primeru (slika 4.a), ko program začne delovati, se osnovni register naloži z naslovom začetka izvedljivega programskega modula, mejni register pa pove, koliko zavzame izvedljivi programski modul skupaj z podatki. Pri pridobivanju ukaza iz pomnilnika strojna oprema preveri programski števec in če je manjši od mejnega registra, mu prišteje vrednost osnovnega registra, vsoto pa prenese v pomnilnik. Ko program želi prebrati podatkovno besedo (na primer z naslova 10000), strojna oprema temu naslovu samodejno doda vsebino osnovnega registra (na primer 50000) in prenese vsoto (60000) v pomnilnik. Osnovni register omogoča programu, da se sklicuje na kateri koli del pomnilnika, ki sledi naslovu, ki je v njem shranjen. Poleg tega omejitveni register preprečuje programu dostop do katerega koli dela pomnilnika za programom. Tako sta s pomočjo te sheme rešena oba problema: zaščita in premikanje programov.

Kot rezultat preverjanja in preoblikovanja podatkov se naslov, ki ga ustvari program in imenuje virtualni naslov, prevede v naslov, ki ga uporablja pomnilnik in se imenuje fizični naslov. Naprava, ki izvaja preverjanje in pretvorbo, se imenuje enota za upravljanje pomnilnika ali upravljalnik pomnilnika (MMU, Memory Management Unit). Upravljalnik pomnilnika se nahaja v procesorskem vezju ali blizu njega, vendar je logično nameščen med procesorjem in pomnilnikom.

Bolj zapleten upravljalnik pomnilnika je sestavljen iz dveh parov osnovnih in mejnih registrov. En par je za programsko besedilo, drugi par za podatke. Register ukazov in vse reference na programsko besedilo delujejo s prvim parom registrov; reference na podatke uporabljajo drugi par registrov. Zahvaljujoč temu mehanizmu je mogoče deliti en program med več uporabniki, medtem ko je v RAM-u shranjena samo ena kopija programa, ki je izključena v preprosti shemi. Ko se izvaja program št. 1, se štirje registri nahajajo, kot je prikazano na sliki 4 (b), na levi, ko se izvaja program št. 2 - na desni. Upravljanje upravitelja pomnilnika je funkcija operacijskega sistema.

Naslednji v strukturi pomnilnika je magnetni disk (trdi disk). Diskovni pomnilnik je dva reda velikosti cenejši od RAM-a na bitni osnovi in ​​večji po velikosti, vendar dostop do podatkov na disku traja približno tri reda velikosti dlje. Razlog za nizko hitrost trdega diska je dejstvo, da je pogon mehanska struktura. Trdi disk je sestavljen iz ene ali več kovinskih plošč, ki se vrtijo s hitrostjo 5400, 7200 ali 10800 vrt/min (slika 5.). Informacije so zapisane na ploščah v obliki koncentričnih krogov. Bralno/pisalne glave na vsakem danem položaju lahko preberejo obroč na plošči, ki se imenuje steza. Tirnice za določen položaj vilic skupaj tvorijo valj.

Vsaka sled je razdeljena na več sektorjev, običajno 512 bajtov na sektor. Vklopljeno sodobnih pogonov zunanji valji vsebujejo več sektorjev kot notranji. Premikanje glave iz enega valja v drugega traja približno 1 ms, premikanje v naključni valj pa od 5 do 10 ms, odvisno od pogona. Ko se glava nahaja nad želeno stezo, morate počakati, da motor zavrti disk, tako da je zahtevani sektor pod glavo. To traja dodatnih 5 do 10 ms, odvisno od hitrosti vrtenja diska. Ko je sektor pod glavo, poteka postopek branja ali pisanja s hitrostjo od 5 MB/s (za pogone z nizko hitrostjo) do 160 MB/s (za pogone z visoko hitrostjo).

Zadnji sloj zaseda magnetni trak. Ta medij je bil pogosto uporabljen za ustvarjanje varnostne kopije prostora na trdem disku ali prostora za shranjevanje veliki kompleti podatke. Za dostop do informacij je bil trak vstavljen v čitalnik magnetnega traku, nato pa je bil previt na zahtevani blok informacij. Celoten postopek je trajal minut. Opisana hierarhija pomnilnika je tipična, vendar v nekaterih izvedbah morda niso prisotne vse ravni ali druge vrste (na primer optični disk). V vsakem primeru se pri premikanju po hierarhiji od zgoraj navzdol čas naključnega dostopa znatno poveča od naprave do naprave, zmogljivost pa enakovredna času dostopa.

Poleg zgoraj opisanih tipov ima veliko računalnikov bralni pomnilnik z naključnim dostopom (ROM, Read Only Memory), ki ne izgubi svoje vsebine, ko je računalniški sistem izklopljen. ROM je programiran med proizvodnjo in njegove vsebine po tem ni več mogoče spreminjati. V nekaterih računalnikih ROM vsebuje zagonske programe, ki se uporabljajo za zagon računalnika, in nekatere V/I kartice za nadzor naprav nizke ravni.

Električno izbrisljivi ROM (EEPROM, Electrically Erasable ROM) in bliskovni RAM (flash RAM) sta prav tako nehlapna, vendar je za razliko od ROM-a njihovo vsebino mogoče izbrisati in prepisati. Vendar zapisovanje podatkov vanje traja veliko dlje kot pisanje v RAM. Zato se uporabljajo na povsem enak način kot ROM-i.

Obstaja še ena vrsta pomnilnika - pomnilnik CMOS, ki je nestanoviten in se uporablja za shranjevanje trenutnega datuma in trenutnega časa. Pomnilnik napaja baterija, ki je vgrajena v računalnik, in lahko vsebuje konfiguracijske parametre (na primer navedbo, s katerega trdega diska naj se zažene).

3. I/O naprave

Druge naprave, ki tesno sodelujejo z operacijskim sistemom, so vhodno/izhodne naprave, ki so sestavljene iz dveh delov: krmilnika in same naprave. Krmilnik je mikrovezje (chipset) na plošči, ki je vstavljeno v konektor, ki sprejema in izvaja ukaze operacijskega sistema.

Na primer, krmilnik prejme ukaz za branje določenega sektorja z diska. Za izvedbo ukaza krmilnik pretvori linearno število sektorja diska v število cilindra, sektorja in glave. Postopek pretvorbe je zapleten zaradi dejstva, da imajo lahko zunanji valji več sektorjev kot notranji. Krmilnik nato določi, kateri valj se nahaja zgoraj ta trenutek glavo in daje zaporedje impulzov za premikanje glave za zahtevano število valjev. Po tem krmilnik počaka, da se disk zavrti, tako da pod glavo postavi zahtevani sektor. Nato procesi branja in shranjevanja bitov, ko prispejo z diska, postopki odstranjevanja glave in računanja kontrolna vsota. Nato krmilnik zbere prejete bite v besede in jih shrani v pomnilnik. Za izvajanje tega dela imajo krmilniki vgrajeno vdelano programsko opremo.

Sama I/O naprava ima enostaven vmesnik, ki mora ustrezati enotnemu standardu IDE (IDE, Integrated Drive Electronics - vgrajen vmesnik pogona). Ker je vmesnik naprave skrit s krmilnikom, operacijski sistem vidi samo vmesnik krmilnika, ki se lahko razlikuje od vmesnika naprave.

Ker krmilniki za različne naprave I/O naprave se med seboj razlikujejo, zato za njihovo upravljanje potrebujete ustrezno programsko opremo - gonilnike. Zato mora vsak proizvajalec krmilnikov zagotoviti gonilnike za krmilnike, ki jih podpira. operacijski sistemi. Obstajajo trije načini za namestitev gonilnika v operacijski sistem:

Ponovno zgradite jedro z novim gonilnikom in nato znova zaženite sistem, tako deluje veliko sistemov UNIX;

V datoteko v operacijskem sistemu vnesite, da je potreben gonilnik, in znova zaženite sistem; med prvim zagonom bo operacijski sistem našel potreben voznik in ga prenesite; Tako deluje operacijski sistem Windows;

Sprejmite nove gonilnike in jih hitro namestite z operacijskim sistemom, medtem ko se izvaja; To metodo uporabljajo odstranljiva vodila USB in IEEE 1394, ki vedno zahtevajo dinamično naložene gonilnike.

Za komunikacijo z vsakim krmilnikom obstajajo določeni registri. Na primer, minimalni krmilnik diska ima lahko registre za določanje naslova diska, naslova pomnilnika, številke sektorja in smeri delovanja (branje ali pisanje). Za aktiviranje krmilnika voznik prejme ukaz iz operacijskega sistema, nato pa ga prevede v vrednosti, primerne za pisanje v registre naprave.

V nekaterih računalnikih so registri V/I naprav preslikani v naslovni prostor operacijskega sistema, tako da jih je mogoče brati ali pisati kot običajne besede v pomnilniku. Naslovi registrov so postavljeni v RAM izven dosega uporabniških programov, da bi zaščitili uporabniške programe pred strojno opremo (na primer z uporabo baznih in mejnih registrov).

Na drugih računalnikih se registri naprav nahajajo v posebnih V/I vratih in vsak register ima svoj naslov vrat. Na takšnih strojih sta ukaza IN in OUT na voljo v privilegiranem načinu, ki omogoča gonilnikom branje in pisanje registrov. Prva shema odpravlja potrebo po posebnih V/I navodilih, vendar uporablja nekaj naslovnega prostora. Druga shema ne vpliva na naslovni prostor, vendar zahteva posebne ukaze. Obe shemi se pogosto uporabljata. Vnos in izpis podatkov poteka na tri načine.

1. Uporabniški program izda sistemsko zahtevo, ki jo jedro prevede v klic procedure za ustrezni gonilnik. Gonilnik nato začne V/I postopek. V tem času gonilnik izvede zelo kratko programsko zanko, pri čemer nenehno preverja pripravljenost naprave, s katero dela (običajno obstaja kakšen bit, ki kaže, da je naprava še vedno zasedena). Ko je V/I operacija končana, gonilnik postavi podatke, kamor so potrebni, in se vrne tja začetno stanje. Operacijski sistem nato vrne nadzor programu, ki je opravil klic. Ta metoda se imenuje pripravljeno čakanje ali aktivno čakanje in ima eno slabost: procesor mora vprašati napravo, dokler ne dokonča svojega dela.

2. Gonilnik zažene napravo in jo prosi, naj izda prekinitev, ko je I/O končan. Po tem gonilnik vrne podatke, operacijski sistem po potrebi blokira klicni program in začne izvajati druge naloge. Ko krmilnik zazna konec prenosa podatkov, ustvari prekinitev, ki signalizira zaključek operacije. Mehanizem za izvajanje input-outputa poteka na naslednji način (slika 6.a):

1. korak: gonilnik posreduje ukaz krmilniku in zapisuje informacije v registre naprave; Krmilnik zažene V/I napravo.

2. korak: Po končanem branju ali pisanju krmilnik pošlje signal čipu krmilnika prekinitev.

3. korak: Če je krmilnik prekinitev pripravljen sprejeti prekinitev, potem pošlje signal na določen pin CPE.

4. korak: Krmilnik prekinitev postavi številko V/I naprave na vodilo, tako da jo CPE lahko prebere in ve, katera naprava je zaključila svoje delo. Ko CPE prejme prekinitev, se vsebina programskega števca (PC) in besed stanja procesorja (PSW) potisne v trenutni sklad, procesor pa preklopi v privilegiran način (način jedra operacijskega sistema). Številko V/I naprave lahko uporabite kot indeks dela pomnilnika, ki se uporablja za iskanje naslova upravljalnika prekinitev te naprave. Ta del pomnilnika se imenuje prekinitveni vektor. Ko upravljavec prekinitev (del gonilnika naprave, ki je poslal prekinitev) začne delovati, odstrani programski števec in besedo statusa procesorja, ki se nahajata na skladu, ju shrani in povpraša napravo za informacije o njenem stanju. Po končani obdelavi prekinitve se nadzor vrne k uporabniškemu programu, ki se je izvajal prej, k ukazu, katerega izvedba še ni bila zaključena (slika 6 b).

3.Za vnos in izhod informacij se uporablja krmilnik neposrednega dostopa do pomnilnika (DMA, Direct Memory Access), ki nadzoruje pretok bitov med RAM-om in nekaterimi krmilniki brez nenehnega posredovanja centralnega procesorja. Procesor pokliče čip DMA, mu pove, koliko bajtov naj prenese, zagotovi naslove naprave in pomnilnika ter smer prenosa podatkov in pusti čipu, da naredi svoje. Po zaključku DMA izda prekinitev, ki se ustrezno obravnava.

Prekinitve se lahko pojavijo ob neprimernem času, na primer med obdelavo druge prekinitve. Zaradi tega ima CPE možnost onemogočiti prekinitve in jih omogočiti pozneje. Medtem ko so prekinitve onemogočene, vse naprave, ki so zaključile svoje delo, še naprej pošiljajo svoje signale, vendar procesor ni prekinjen, dokler niso omogočene prekinitve. Če več naprav zapusti istočasno, medtem ko so prekinitve onemogočene, se krmilnik prekinitev odloči, katera mora biti obdelana prva, običajno na podlagi statičnih prioritet, dodeljenih vsaki napravi.

Računalniški sistem Pentium ima osem vodil (vodilo predpomnilnika, lokalno vodilo, pomnilniško vodilo, PCI, SCSI, USB, IDE in ISA). Vsako vodilo ima svojo hitrost prenosa podatkov in funkcije. Operacijski sistem mora vsebovati informacije o vseh vodilih za upravljanje računalnika in njegovo konfiguracijo.

ISA vodilo (Industry Standard Architecture) - prvič se je pojavilo na računalnikih IBM PC/AT, deluje pri 8,33 MHz in lahko prenese dva bajta na takt z največjo hitrostjo 16,67 MB/s; vključen je v sistem za združljivost s starejšimi počasnimi V/I karticami.

PCI vodilo (Peripheral Component Interconnect) – ki ga je Intel ustvaril kot naslednika vodila ISA, lahko deluje pri frekvenci 66 MHz in prenaša 8 bajtov na takt s hitrostjo 528 MB/s. Trenutno vodila PCI uporabite večino hitrih V/I naprav, pa tudi računalnike s procesorji, ki niso Intelovi, saj je veliko V/I kartic združljivih z njim.

Lokalno vodilo v sistemu Pentium uporablja CPE za prenos podatkov na premostitveni čip PCI, ki dostopa do pomnilnika na namenskem pomnilniškem vodilu, ki pogosto deluje pri 100 MHz.

Predpomnilniško vodilo se uporablja za povezavo zunanjega predpomnilnika, saj imajo sistemi Pentium v ​​procesor vgrajen predpomnilnik prve stopnje (predpomnilnik L1) in velik zunanji predpomnilnik druge stopnje (predpomnilnik L2).

Vodilo IDE se uporablja za povezavo perifernih naprav: diskov in čitalnikov CD-ROM-ov. Vodilo je potomec vmesnika krmilnika diska PC/AT in je trenutno standard na vseh sistemih, ki temeljijo na procesorjih Pentium.

USB vodilo (univerzalno Serijsko vodilo, univerzalno serijsko vodilo) je namenjeno povezovanju počasnih vhodno/izhodnih naprav (tipkovnica, miška) na računalnik. Uporablja majhen štirižilni konektor z dvema žicama za napajanje naprav USB.

Vodilo USB je centralizirano vodilo, prek katerega gostiteljska naprava vsako milisekundo poišče V/I naprave, da preveri, ali imajo podatke. Upravlja lahko s prenosom podatkov s hitrostjo 1,5 MB/s. Vse naprave USB uporabljajo isti gonilnik, tako da jih je mogoče povezati s sistemom brez ponovnega zagona.

Vodilo SCSI (Small Computer System Interface) je visoko zmogljivo vodilo, ki se uporablja za hitre diske, skenerje in druge naprave, ki zahtevajo veliko pasovno širino. Njegova zmogljivost doseže 160 MB/s. Vodilo SCSI se uporablja v sistemih Macintosh in je priljubljeno v sistemih UNIX in drugih sistemih, ki temeljijo na procesorjih Intel.

Vodilo IEEE 1394 (FireWire) je bitno-serijsko vodilo in podpira paketni prenos podatkov s hitrostjo do 50 MB/s. Ta lastnost vam omogoča povezavo prenosnih digitalnih video kamer in drugih multimedijskih naprav z računalnikom. Za razliko od pnevmatike vodilo USB IEEE 1394 nima centralnega krmilnika.

Operacijski sistem mora biti sposoben prepoznati komponente strojne opreme in jih znati konfigurirati. Ta zahteva je vodila Intel in Microsoft za razvoj osebnega računalniškega sistema, imenovanega plug and play. Pred tem sistemom je imela vsaka V/I plošča fiksne naslove V/I registra in raven zahteve za prekinitev. Na primer, tipkovnica je uporabila prekinitev 1 in naslove v območju od 0x60 do 0x64; Krmilnik diskete je uporabil prekinitev 6 in naslovil 0x3F0 do 0x3F7; tiskalnik je uporabil prekinitev 7 in naslove od 0x378 do 0x37A.

Če je uporabnik kupil zvočna kartica in modem, se je zgodilo, da sta ti napravi pomotoma uporabili isto prekinitev. Prišlo je do konflikta, zato napravi nista mogli delovati skupaj. Možna rešitev V vsako ploščo je bilo treba vgraditi niz DIP stikal (skakalcev) in vsako ploščo konfigurirati tako, da naslovi vrat in številke prekinitev različnih naprav niso v nasprotju med seboj.

Plug and play omogoča operacijskemu sistemu samodejno zbiranje informacij o V/I napravah, centralno dodeljevanje ravni prekinitev in V/I naslovov ter nato sporočanje teh informacij vsaki plošči. Ta sistem deluje na računalnikih Pentium. Vsak računalnik z Pentium procesor vsebuje matično ploščo, na kateri se nahaja program - sistem BIOS (Basic Input Output System). BIOS vsebuje V/I programe nizke ravni, vključno s postopki za branje s tipkovnice, za prikaz informacij na zaslonu, za V/I podatke z diska itd.

Ko se računalnik zažene, se zažene sistem BIOS, ki preveri količino RAM-a, nameščenega v sistemu, povezavo in pravilno delovanje tipkovnice in drugih glavnih naprav. Nato BIOS preveri vodila ISA in PCI ter vse naprave, povezane z njimi. Nekatere od teh naprav so tradicionalne (pre-plug and play). Imajo fiksne ravni prekinitev in naslov V/I vrat (na primer nastavljen s stikali ali mostički na V/I plošči in jih operacijski sistem ne more spremeniti). Te naprave so registrirane, nato pa so registrirane naprave plug and play. Če so prisotne naprave drugačne od tistih, ki so bile prisotne med zadnjim zagonom, so konfigurirane nove naprave.

BIOS nato določi, iz katere naprave naj se zažene, tako da po vrsti preizkusi vsak seznam, shranjen v pomnilniku CMOS. Uporabnik lahko spremeni ta seznam z vstopom v konfiguracijski program BIOS takoj po zagonu. Običajno se bo najprej poskušal zagnati z diskete. Če to ne uspe, se poskusi CD. Če vaš računalnik nima diskete in CD-ja, se sistem zažene s trdega diska. Prvi sektor se prebere v pomnilnik iz zagonske naprave in izvede. Ta sektor vsebuje program, ki preveri particijsko tabelo na koncu zagonskega sektorja, da ugotovi, katera particija je aktivna. Sekundarni zagonski nalagalnik se nato prebere z iste particije. Prebere operacijski sistem z aktivne particije in ga zažene.

Operacijski sistem nato vpraša BIOS, da pridobi informacije o konfiguraciji računalnika in preveri prisotnost gonilnika za vsako napravo. Če gonilnik manjka, operacijski sistem od uporabnika zahteva, da vstavi disketo ali CD z gonilnikom (te diske dobavi proizvajalec naprave). Če so vsi gonilniki nameščeni, jih operacijski sistem naloži v jedro. Nato inicializira tabele gonilnikov, ustvari vse potrebne procese v ozadju in zažene program za vnos gesel oz GUI na vsakem terminalu.

5. Zgodovina razvoja računalniške tehnologije

Vsi osebni računalniki, združljivi z IBM, so opremljeni s procesorji, združljivimi z Intel. Zgodovina razvoja mikroprocesorjev družine Intel je na kratko naslednja. Intelov prvi univerzalni mikroprocesor se je pojavil leta 1970. Imenoval se je Intel 4004, bil je štiribitni in je imel možnost vhoda/izhoda ter obdelave štiribitnih besed. Njegova hitrost je bila 8000 operacij na sekundo. Mikroprocesor Intel 4004 je bil zasnovan za uporabo v programabilnih kalkulatorjih z velikostjo pomnilnika 4 KB.

Tri leta pozneje je Intel izdal procesor 8080, ki je že lahko izvajal 16-bitne aritmetične operacije, imel je 16-bitno naslovno vodilo in je zato lahko naslovil do 64 KB pomnilnika (2.516 0 = 65536). Leto 1978 je zaznamovala izdaja procesorja 8086 z velikostjo besede 16 bitov (dva bajta), 20-bitnim vodilom in je lahko deloval z 1 MB pomnilnika (2 520 0 = 1048576 ali 1024 KB), razdeljenega na bloke. (segmenti) po 64 KB vsak. Procesor 8086 je bil vključen v računalnike, združljive z IBM PC in IBM PC/XT. Naslednji večji korak v razvoju novih mikroprocesorjev je bil procesor 8028b, ki se je pojavil leta 1982. Imel je 24-bitno naslovno vodilo, upravljal je lahko 16 megabajtov naslovnega prostora in bil nameščen na računalnikih, združljivih z IBM PC/AT. Oktobra 1985 je bil izdan 80386DX z 32-bitnim naslovnim vodilom (največji naslovni prostor 4 GB), junija 1988 pa 80386SX, ki je bil cenejši od 80386DX in je imel 24-bitno naslovno vodilo. Nato se je aprila 1989 pojavil mikroprocesor 80486DX, maja 1993 pa prva različica procesorja Pentium (oba z 32-bitnim naslovnim vodilom).

Maja 1995 v Moskvi na mednarodni razstavi Comtec-95 je Intel predstavil nov procesor- P6.

Eden najpomembnejših ciljev, zastavljenih med razvojem P6, je bil podvojiti zmogljivost procesorja Pentium. Hkrati bo proizvodnja prvih različic P6 potekala v skladu z že razhroščenim "Intelom" in uporabljena v proizvodnji najnovejše različice Polprevodniška tehnologija Pentium (0,6 mikronov, 3,3 V).

Uporaba istega proizvodnega procesa zagotavlja, da je P6 mogoče množično proizvajati brez večjih težav. Vendar to pomeni, da je podvojitev zmogljivosti dosežena le s celovitimi izboljšavami mikroarhitekture procesorja. Mikroarhitektura P6 je bila zasnovana s skrbno premišljeno in uglašeno kombinacijo različnih arhitekturnih tehnik. Nekatere od njih so bile predhodno preizkušene v procesorjih velikih računalnikov, nekatere so predlagale akademske ustanove, ostale pa so razvili Intelovi inženirji. Ta edinstvena kombinacija arhitekturnih značilnosti, ki jo Intel imenuje "dinamična izvedba", je omogočila, da so prve matrice P6 presegle prvotno načrtovane ravni zmogljivosti.

Če primerjamo z alternativnimi procesorji Intel iz družine x86, se izkaže, da ima mikroarhitektura P6 veliko skupnega z mikroarhitekturo procesorjev NxGen Nx586 in AMD K5 ter, čeprav v manjši meri, s Cyrixovim M1. To skupnost je razloženo z dejstvom, da so inženirji štirih podjetij reševali isto težavo: uvajanje elementov tehnologije RISC ob ohranjanju združljivosti z arhitekturo Intel x86 CISC.

Dva kristala v enem paketu

Glavna prednost in edinstvena lastnost P6 je njegova lega v istem paketu s procesorjem je sekundarni statični predpomnilnik velikosti 256 KB, ki je s procesorjem povezan s posebnim vodilom. Ta zasnova bi morala znatno poenostaviti zasnovo sistemov, ki temeljijo na P6. P6 je prvi mikroprocesor, zasnovan za množično proizvodnjo, ki vsebuje dva čipa v enem paketu.

Matrica procesorja v P6 vsebuje 5,5 milijona tranzistorjev; Kristal predpomnilnika L2 - 15,5 milijona. Za primerjavo, najnovejši model Pentium je vključeval približno 3,3 milijona tranzistorjev, predpomnilnik L2 pa je bil izveden z uporabo zunanjega niza pomnilniških matric.

Tako veliko število tranzistorjev v predpomnilniku je razloženo z njegovo statično naravo. Statični pomnilnik P6 uporablja šest tranzistorjev za shranjevanje enega bita, medtem ko bi dinamični pomnilnik potreboval samo en tranzistor na bit. Statični pomnilnik je hitrejši, vendar dražji. Čeprav je število tranzistorjev na čipu s sekundarnim predpomnilnikom trikrat večje kot na procesorskem čipu, so fizične dimenzije predpomnilnika manjše: 202 kvadratna milimetra proti 306 pri procesorju. Oba kristala sta zaprta skupaj v keramičnem ohišju s 387 kontakti (»pin-drid array z dvojno votlino«). Obe matrice sta izdelani po isti tehnologiji (0,6 µm, 4-slojna kovina-BiCMOS, 2,9 V). Ocenjena največja poraba energije: 20 W pri 133 MHz.

Prvi razlog za združevanje procesorja in sekundarnega predpomnilnika v enem paketu je olajšanje načrtovanja in proizvodnje visoko zmogljivih sistemov, ki temeljijo na P6. Zmogljivost računalniškega sistema, ki temelji na hiter procesor, je zelo odvisno od natančne nastavitve čipov procesorskega okolja, zlasti sekundarnega predpomnilnika. Vsa podjetja za proizvodnjo računalnikov si ne morejo privoščiti ustreznih raziskav. V P6 je sekundarni predpomnilnik že konfiguriran optimalno za procesor, kar poenostavlja zasnovo matične plošče.

Drugi razlog za združitev je izboljšanje produktivnosti. Drugostopenjski CPE je s procesorjem povezan s posebej namenskim 64-bitnim širokim vodilom in deluje na enaki taktni frekvenci kot procesor.

Prvi procesorji Pentium pri 60 in 66 MHz so dostopali do sekundarnega predpomnilnika prek 64-bitnega vodila pri enakem taktu. Ko pa so se hitrosti ure Pentium povečale, je za oblikovalce postalo pretežko in drago vzdrževati takšne hitrosti na matični plošči. Zato so začeli uporabljati frekvenčne delilnike. Na primer, za 100 MHz Pentium zunanje vodilo deluje na frekvenci 66 MHz (za 90 MHz Pentium je 60 MHz). Pentium uporablja to vodilo tako za dostop do sekundarnega predpomnilnika kot za dostop do glavnega pomnilnika in drugih naprav, kot je nabor vezij PCI.

Uporaba namenskega vodila za dostop do sekundarnega predpomnilnika izboljša delovanje sistema. Prvič, s tem dosežemo popolno sinhronizacijo hitrosti procesorja in vodila; drugič, konkurenca z drugimi V/I operacijami in s tem povezane zamude so odpravljene. Predpomnilniško vodilo L2 je popolnoma ločeno od zunanjega vodila, prek katerega poteka pomnilnik in zunanje naprave. 64-bitno zunanje vodilo lahko deluje pri polovični, tretjinski ali četrtinski hitrosti procesorja, medtem ko sekundarno predpomnilniško vodilo deluje neodvisno pri polni hitrosti.

Združevanje procesorja in sekundarnega predpomnilnika v en paket ter njuna komunikacija prek namenskega vodila je korak k tehnikam za izboljšanje zmogljivosti, ki se uporabljajo v najmočnejših procesorjih RISC. Tako je v procesorju Alpha 21164 podjetja Digital predpomnilnik druge stopnje 96 kB nameščen v jedru procesorja, tako kot primarni predpomnilnik. To zagotavlja zelo visoko zmogljivost predpomnilnika s povečanjem števila tranzistorjev na čipu na 9,3 milijona. Zmogljivost Alpha 21164 je 330 SPECint92 pri 300 MHz. Zmogljivost P6 je nižja (Intel ocenjuje 200 SPECint92 pri 133 MHz), vendar P6 zagotavlja najboljše razmerje med ceno in zmogljivostjo za svoj potencialni trg.

Pri ocenjevanju razmerja med ceno in zmogljivostjo velja upoštevati, da čeprav je P6 morda dražji od svojih konkurentov, mora biti večina drugih procesorjev obdana z dodatnim naborom pomnilniških čipov in krmilnikom predpomnilnika. Poleg tega bodo morali drugi procesorji za doseganje primerljive zmogljivosti predpomnilnika uporabljati večje predpomnilnike od 256 KB.

Intel običajno ponuja številne različice svojih procesorjev. To je narejeno zato, da bi zadovoljili različne zahteve načrtovalcev sistemov in pustili manj prostora za konkurenčne modele. Zato lahko domnevamo, da bodo kmalu po začetku proizvodnje P6 tako modifikacije s povečanim obsegom sekundarnega predpomnilnika kot cenejše modifikacije z zunanjo lokacijo sekundarnega predpomnilnika, vendar z ohranjenim namenskim vodilom med sekundarnim predpomnilnikom in prikazal se bo procesor.

Pentium kot izhodišče

Procesor Pentium s svojim cevovodom in superskalarjem arhitektura je dosegla impresivne ravni zmogljivosti. Pentium vsebuje dva 5-stopenjska cevovoda, ki lahko tečeta vzporedno in izvajata dve celoštevilski navodili na cikel strojne ure. V tem primeru se lahko vzporedno izvede le par ukazov, ki si sledijo v programu in izpolnjujejo določena pravila, na primer odsotnost odvisnosti registra tipa "piši po branju".

V P6 je bil za povečanje prepustnosti izveden prehod na en sam 12-stopenjski cevovod. Povečanje števila stopenj vodi do zmanjšanja opravljenega dela na vsaki stopnji in posledično do zmanjšanja časa, ki ga ekipa porabi za vsako stopnjo, za 33 odstotkov v primerjavi s Pentiumom. To pomeni, da bi uporaba enake tehnologije, uporabljene za izdelavo P6 kot 100 MHz Pentium, povzročila P6 s taktom 133 MHz.

Moč Pentiumove superskalarne arhitekture z njeno zmožnostjo izvajanja dveh ukazov na uro bi bilo težko premagati brez popolnoma novega pristopa. Nov pristop P6 odpravlja togo razmerje med tradicionalnima fazama »prinesi« in »izvedi«, kjer zaporedje ukazov skozi ti dve fazi ustreza zaporedju ukazov v programu.

Nov pristop vključuje uporabo tako imenovanega ukaznega bazena in novega učinkovite metode napovedovanje prihodnjega obnašanja programa. V tem primeru se tradicionalna faza »izvršitve« nadomesti z dvema: »odpošiljanje/izvedba« in »povrnitev nazaj«. Posledično se lahko ukazi začnejo izvajati v poljubnem vrstnem redu, vendar vedno dokončajo svoje izvajanje v skladu s prvotnim vrstnim redom v programu. Jedro P6 je implementirano kot tri neodvisne naprave, ki medsebojno delujejo prek skupine ukazov (slika 1).

Glavna težava pri izboljšanju produktivnosti

Odločitev za organizacijo P6 kot treh neodvisnih naprav, ki medsebojno delujejo prek zbirke navodil, je bila sprejeta po temeljiti analizi dejavnikov, ki omejujejo zmogljivost sodobnih mikroprocesorjev. Temeljno dejstvo, ki velja za Pentium in številne druge procesorje, je, da se moč procesorja ne uporablja v največji možni meri pri izvajanju programov iz resničnega sveta.

Medtem ko so se hitrosti procesorjev v zadnjih 10 letih povečale vsaj 10-krat, so se dostopni časi glavnega pomnilnika skrajšali le za 60 odstotkov. Ta vse večji zaostanek v hitrosti pomnilnika glede na hitrost procesorja je bil temeljni problem, ki ga je bilo treba rešiti pri načrtovanju P6.

Eden od možnih pristopov k rešitvi te težave je preusmeritev pozornosti na razvoj visoko zmogljivih komponent, ki obdajajo procesor. Vendar pa bi bila množična proizvodnja sistemov, ki vključujejo visoko zmogljiv procesor in visokohitrostne specializirane okoljske čipe, predraga.

Ena možna rešitev na podlagi surove sile bi lahko bila povečanje velikosti predpomnilnika L2, da se zmanjša odstotek primerov, ko predpomnilnik zgreši zahtevane podatke.

Ta rešitev je učinkovita, a tudi izjemno draga, zlasti če upoštevamo današnje zahteve glede hitrosti komponent L2 predpomnilnika. P6 je bil zasnovan z vidika učinkovite implementacije celotnega računalniškega sistema, pri čemer je bilo potrebno visoko zmogljivost celotnega sistema doseči z uporabo poceni pomnilniškega podsistema.

torej Kombinacija arhitekturnih tehnik P6, kot je izboljšano predvidevanje veje (naslednje zaporedje ukazov je skoraj vedno pravilno določeno), analiza pretoka podatkov (določen je optimalen vrstni red izvajanja ukazov) in izvajanje vnaprejšnjega pogleda (predvideno zaporedje ukazov se izvede brez izpadov) v optimalnem vrstnem redu) podvojil zmogljivost v primerjavi s Pentiumom z uporabo iste proizvodne tehnologije. Ta kombinacija metod se imenuje dinamična izvedba.

Trenutno Intel razvija novo proizvodno tehnologijo 0,35 mikrona, ki bo omogočila izdelavo procesorjev P6 s taktom jedra nad 200 MHz.

P6 kot platforma za gradnjo zmogljivih strežnikov

Med najpomembnejšimi trende v razvoju računalnikov v zadnjih letih lahko izpostavimo kot vse večjo uporabo sistemov, ki temeljijo na procesorjih družine x86 kot aplikacijskih strežnikov, in vse večjo vlogo Intela kot dobavitelja neprocesorskih tehnologij, kot so vodila, omrežne tehnologije, stiskanje videa, bliskovni pomnilnik in orodja za skrbništvo sistema.

Izdaja procesorja P6 nadaljuje Intelovo politiko prenosa zmogljivosti, ki so bile prej na voljo samo v dražjih računalnikih, na množični trg. Paritetni nadzor je zagotovljen za notranje registre P6, 64-bitno vodilo, ki povezuje jedro procesorja in predpomnilnik druge ravni, pa je opremljeno z orodji za odkrivanje in popravljanje napak. Nove diagnostične zmogljivosti, vgrajene v P6, proizvajalcem omogočajo oblikovanje bolj zanesljivih sistemov. P6 omogoča pridobivanje informacij prek kontaktov procesorja ali z uporabo programske opreme o več kot 100 procesorskih spremenljivkah ali dogodkih, ki se dogajajo v njem, kot so odsotnost podatkov v predpomnilniku, vsebina registrov, pojav samospreminjalne kode in tako naprej Operacijski sistem in drugi programi lahko preberejo te informacije, da ugotovijo stanje procesorja. P6 ima tudi izboljšano podporo za kontrolne točke, kar pomeni, da je mogoče računalnik povrniti v predhodno zabeleženo stanje, če pride do napake.

Podobni dokumenti

Računalniška tehnologija se je pojavila že davno, saj je potreba po različnih vrstah izračunov obstajala že na zori razvoja civilizacije. Hiter razvoj računalniške tehnologije. Ustvarjanje prvih osebnih računalnikov, mini računalnikov od 80. let dvajsetega stoletja.

povzetek, dodan 25.09.2008


Značilnosti sistemov tehničnega in preventivnega vzdrževanja računalniške opreme. Diagnostični programi za operacijske sisteme. Medsebojna povezava avtomatiziranih sistemov vodenja. Zaščita vašega računalnika pred zunanjimi škodljivimi vplivi.

povzetek, dodan 25.3.2015


Razvoj informacijsko analitičnega sistema za analizo in optimizacijo konfiguracije računalniške opreme. Struktura avtomatiziranega krmiljenja računalniške opreme. Programska oprema, utemeljitev ekonomske učinkovitosti projekta.

diplomsko delo, dodano 20.05.2013


Ročna stopnja razvoja računalniške tehnologije. Pozicijski številski sistem. Razvoj mehanike v 17. stoletju. Elektromehanska stopnja razvoja računalniške tehnologije. Računalniki pete generacije. Možnosti in značilne lastnosti superračunalnik.

tečajna naloga, dodana 18.04.2012


Zgradba in princip delovanja osebnega računalnika (PC). Diagnostika delovanja računalnika in odkrivanje napak. Naloge Vzdrževanje računalniške zmogljivosti. Razvoj metod za vzdrževanje opreme v delovnem stanju.

tečajna naloga, dodana 13.7.2011


Preučevanje tujih in domačih praks pri razvoju računalniške tehnologije ter možnosti za razvoj računalnikov v bližnji prihodnosti. Tehnologije za uporabo računalnikov. Stopnje razvoja računalniške industrije pri nas. Združevanje osebnega računalnika in komunikacij.

tečajna naloga, dodana 27.4.2013


Klasifikacija projektantskih postopkov. Zgodovina sinteze računalniške tehnologije in inženirskega oblikovanja. Funkcije sistemov za računalniško podprto načrtovanje, njihova programska oprema. Značilnosti uporabe tridimenzionalnih skenerjev, manipulatorjev in tiskalnikov.

povzetek, dodan 25.12.2012


Avtomatizacija obdelave podatkov. Računalništvo in njegovi praktični rezultati. Zgodovina nastanka digitalne računalniške tehnologije. Elektromehanski računalniki. Uporaba vakuumske cevi ter računalniki prve, tretje in četrte generacije.

diplomsko delo, dodano 23.06.2009


Pojem in značilnosti osebnega računalnika, njegovi glavni deli in njihov namen. Učna sredstva računalništva in značilnosti organizacije dela v učilnici računalništva. Oprema delovnih mest in uporaba programske opreme.

povzetek, dodan 09.07.2012


Sestava računalniškega sistema je konfiguracija računalnika, njegove strojne in programske opreme. Naprave in instrumenti, ki tvorijo strojno konfiguracijo osebnega računalnika. Glavni pomnilnik, V/I vrata, periferni adapter.