Склад обчислювальної техніки. Основні характеристики обчислювальної техніки. Історія розвитку обчислювальної техніки

Поняття про обчислювальну техніку. - сукупність технічних і математичних засобів, методів та прийомів, що використовуються для механізації та автоматизації процесів обчислень та обробки інформації. Основу технічних засобів сучасної обчислювальної техніки складають електронні обчислювальні машини (ЕОМ, комп'ютери), пристрої введення, виведення, представлення та передачі даних (сканери, принтери, модеми, монітори, плотери, клавіатури, накопичувачі на магнітних стрічках та дисках тощо). , ноутбуки, мікрокалькулятори, електронні записники та ін.

Персональний комп'ютер – це настільна або переносна однокористувацька мікроЕОМ, що задовольняє вимогою загальнодоступності та універсальності.

Основою ПЕОМ є мікропроцесор. Розвиток техніки та технології мікропроцесорів визначив зміну поколінь ПК:

1 – е покоління (1975 – 1980 рр.) – з урахуванням 8 – і розрядного МП;

2 – е покоління (1981 – 1985 рр.) – з урахуванням 16 – і розрядного МП;

3 – е покоління (1986 – 1992 рр.) – з урахуванням 32 – х розрядного МП;

4 – е покоління (з 1993 р.) – з урахуванням 64 – х розрядного МП.

Сьогодні комп'ютерний світ стоїть на порозі революції: CPU з транзисторами нового покоління та потужні мобільні чіпина порядок збільшать продуктивність ноутбуків, планшетів та смартфонів.

Процесорні елементи розміром 10 і 12 нм у наступному році повністю змінять комп'ютерний світ: за товщиною вони в 10000 разів менші за людське волосся (100000 нм), а по діаметру наближаються до атомів кремнію (0,3 нм).

Основними виробниками мікропроцесорів для ПЕОМ в даний час, як і раніше, є:

Intel – піонер у створенні та виробництві сучасних процесорів. На сьогоднішній день на ринку дорогих комп'ютерів найбільш популярні ПК із процесорами на базі багатоядерної архітектури. Intel Core.

У квітні 2012 року Intel представила 3 ​​покоління сімейства чотириядерних процесорів Intel® Core™, доступні в потужних настільних системахпрофесійного рівня та мобільних та тонких моноблочних ПК, які являють собою перші у світі мікросхеми, створені за 22-нм виробничою технологією та з використанням тривимірних транзисторів Tri-Gate.

AMD (Advanced Micro Deviced) – найреальніший конкурент Intel. Донедавна займав на комп'ютерному ринку нішу недорогих, але швидких процесорів, призначених в основному для недорогих комп'ютерів та upgrade.

З створенням 1999 р. процесора Athlon, процесорів Thunderbird, Polamino, Thoroughbred, Barton і після 2003 р. процесорів серії К8 почав серйозно конкурувати з Intel. Сьогодні обидві компанії випускають хороший якісний продукт, який може задовольнити потреби будь-яких вимогливих користувачів.

Нині з урахуванням цих процесорів виробляється близько 85% ПЕОМ. Залежно від призначення їх можна поділити на три групи:

Побутові, призначені для масового споживання та мають найпростішу базову конфігурацію;

Загального призначення, призначені для вирішення науково-технічних, економічних та ін. завдань та навчання. Цей клас набув найбільшого поширення та обслуговується, як правило, користувачами-непрофесіоналами;

Професійні, що використовуються у науковій сфері, для вирішення складних інформаційних та виробничих завдань. Вони відрізняються високими технічними характеристиками та обслуговуються професійними користувачами.

Крім того, за конструктивним виконанням ПЕОМ поділяються на:

LAPTOP-комп'ютери (наколений комп'ютер). У Laptop клавіатура та системний блок виконані в одному корпусі, який зверху закривається кришкою із РК-дисплеєм. Більшість моделей не відрізняється на краще своїми технічними параметрами і мають монохромні дисплеї;

NOTEBOOK ("блокноти"). Останні моделі мають досить високі технічні параметри, які можна порівняти з ПЕОМ загального призначення ( процесори Core i7-3612QM, відео до 6144 Мб, жорсткі диски – HDD більше 600 Гб або SSD до 256 Гб;

Ультрабук (англ. Ultrabook) - ультратонкий і легкий ноутбук, що володіє ще меншими габаритами і вагою в порівнянні зі звичайними субноутбуками, але при цьому - здебільшого характерних рис повноцінного ноутбука. Термін став широко поширюватися у 2011 році, після того як корпорація Intel презентувала новий клас мобільних ПК – ультрабуки, концепт компаній Intel та Apple, розроблений на основі випущеного у 2008 році. ноутбука Apple MacBook Air. Ультрабуки менше звичайних ноутбуків, але дещо більше нетбуків. Вони оснащуються невеликим рідкокристалічним дисплеєм від 11 до 13.3 дюймів, компактні - товщина до 20 мм, і мають масу до 2 кг. Внаслідок малих розмірів ультрабуки мають невелику кількість зовнішніх портів і більшість із них не мають DVD-приводу.

Нетбук (англ. Netbook) - ноутбук із відносно невисокою продуктивністю, призначений в основному для виходу в Інтернет та роботи з офісними програмами. Має невелику діагоналлю екрана в 7-12 дюймів, низьке енергоспоживання, невелику вагу і відносно невисоку вартість.

Принцип роботи сучасних ПК можна описати наступним алгоритмом:

I. Ініціалізація

Після включення ЕОМ, завантаження ОС та необхідної програми програмному лічильнику надається початкове значення, що дорівнює адресі першої команди цієї програми.

ІІ. Вибірка команди

ЦП здійснює операцію зчитування команди з пам'яті. Як адреса осередку пам'яті використовується вміст програмного лічильника.

ІІІ. Інтерпретація команди та збільшення програмного лічильника

Вміст ліченого осередку пам'яті інтерпретується ЦП як команда і поміщається в регістр команди. УУ приступає до інтерпретації команди. По полю коду операції з першого слова команди УУ визначає її довжину і, якщо це необхідно, організує додаткові операції зчитування, доки вся команда не буде прочитана ЦП. Довжина команди додається до вмісту програмного лічильника, і коли команда буде повністю прочитана, у програмному лічильнику сформується адреса наступної команди.

IV. Дешифрація команди та виконання команди

По адресним полям команди УУ визначає, чи має команда операнди у пам'яті. Якщо має, то на основі вказаних в адресних полях режимів адресації обчислюються адреси операндів і виконуються операції для читання пам'яті для зчитування операндів.

УУ та АЛУ виконують операцію, вказану в полі коду операції команди. У прапорному регістрі процесора запам'ятовуються ознаки операції.

V. За потреби УУ виконує операцію запису результату на згадку.

Якщо остання команда була «зупинити процесор», то описана послідовність операцій виконується знову. Ця послідовність операцій називається циклом процесора .

У конкретних ЕОМ реалізація цього алгоритму може незначною мірою відрізнятися. Але в принципі, функціонування будь-якої фон-Неймановської ЕОМ описується подібним алгоритмом і є послідовністю досить простих операцій.

ПК включає три основні пристрої: системний блок, клавіатуру та дисплей . Для розширення функціональних можливостей ПК додатково підключаються периферійні пристрої: принтер, сканер, маніпулятори та ін Ці пристрої або під'єднуються до системного блоку за допомогою кабелів через роз'єми, розташовані на задній стінці системного блокуабо вставляються в системний блок безпосередньо. ПК має модульну структуру. Усі модулі пов'язані із системною шиною.

Для керування зовнішніми пристроями служать контролери (адаптери ВУ) . Після отримання команди від МП, контролер, функціонуючи автономно, звільняє МП від виконання специфічних функцій обслуговування зовнішнього пристрою.

Необхідно відзначити, що зростання швидкодії сучасних МП та окремих зовнішніх по відношенню до нього пристроїв (основної та зовнішньої пам'яті, відеосистем та ін.) призвело до проблеми збільшення пропускну здатністьсистемної шини під час підключення цих пристроїв. Для вирішення цієї проблеми було розроблено локальні шини, що підключаються безпосередньо до шини МП.

Головним пристроєм у ПК є системний блок . До його складу входять ЦП, співпроцесор, модулі постійної та оперативної пам'яті, контролери, накопичувачі на магнітних дисках, блок живлення та інші функціональні модулі Конфігурацію ПК можна змінювати, включаючи додаткові модулі. Для забезпечення узгодженої роботи пристроїв ПК системна платамістить чіпсет, тобто. набір мікросхем (чіпів).

Чіпсет визначає основні можливості плати:

· Типи підтримуваних ЦП;

· максимальну частоту системної шини;

· Логіку комутації пристроїв;

· Підтримувані типи та максимальний розміросновний пам'яті;

· Швидкості роботи з кожним типом пам'яті;

· Підтримку прискореного графічного порту;

· Тип дискового інтерфейсу та його режими;

· Максимальна кількість слотів розширення;

· Моніторинг ПК.

Чіпсет сучасного ПК зазвичай складається з двох чіпів: північного мосту (North Bridge) або контролера-концентратора пам'яті (англ. Memory Controller Hub, MCH), що обслуговує центральні пристрої та містить контролери основної пам'яті, графічної шини, системної шини та шини пам'яті, та південного моста (South Bridge) або контролера-концентратора введення-виводу (англ. I/O Controller Hub, ICH), що містить контролери пристроїв введення/виводу та стандартних периферійних пристроїв.

Функціональна схема комп'ютера-за своїм призначенням комп'ютер - це універсальний пристрій для роботи з інформацією.За принципами свого пристрою комп'ютер – це модель людини, яка працює з інформацією.

Персональний комп'ютер(ПК) – це комп'ютер, призначений для обслуговування одного робочого місця. За своїми характеристиками може відрізнятися від великих ЕОМ, але функціонально здатний виконувати аналогічні операції. За способом експлуатації розрізняють настільні (desktop), портативні (laptop та notebook) та кишенькові (palmtop) моделі ПК.

Апаратне забезпечення.Оскільки комп'ютер надає всі три класу інформаційних методів для роботи з даними (апаратні, програмні та природні), прийнято говорити про комп'ютерну систему як про апаратні та програмні засоби, що працюють спільно. Вузли, що становлять апаратні засоби комп'ютера, називають апаратним забезпеченням. Вони виконують всю фізичну роботу з даними: реєстрацію, зберігання, транспортування та перетворення як за формою, так і за змістом, а також представляють їх у вигляді, зручному для взаємодії з природними інформаційними методамилюдини.

Сукупність апаратних засобів комп'ютера називають його апаратною конфігурацією.

Програмне забезпечення.Програми можуть перебувати у двох станах: активному та пасивному. У пасивному стані програма не працює і виглядає як дані, змістовна частина яких – відомості. У цьому стані вміст програми можна читати за допомогою інших програм, як читають книги, і змінювати. З нього можна дізнатися призначення програми та принцип її роботи. У пасивному стані програми створюються, редагуються, зберігаються та транспортуються. Процес створення та редагування програм називається програмуванням.

Коли програма перебуває в активному стані, змістовна частина даних розглядається як команди, згідно з якими працюють апаратні засоби комп'ютера. Щоб змінити порядок їх роботи, достатньо перервати виконання однієї програми та розпочати виконання іншої, що містить інший набір команд.

Сукупність програм, що зберігаються на комп'ютері, утворює його програмне забезпечення. Сукупність програм, підготовлених до роботи, називають встановленим програмним забезпеченням. Сукупність програм, що працюють у той чи інший момент часу, називають програмною конфігурацією.

Влаштування комп'ютера.Будь-який комп'ютер (навіть найбільший) складається з чотирьох частин:

• пристрої введення інформації
• пристрої обробки інформації
• пристрої зберігання
• пристрої виведення інформації.

Конструктивно ці частини можуть бути об'єднані в одному корпусі розміром з книгу або кожна частина може складатися з декількох досить громіздких пристроїв.

Базова апаратна конфігурація комп'ютера.Базовою апаратною конфігурацією персонального комп'ютера називають мінімальний комплект апаратних засобів, достатній початку роботи з комп'ютером. З часом поняття базової зміни поступово змінюється.

Найчастіше персональний комп'ютер складається з наступних пристроїв:

• Системний блок
• Монітор
• Клавіатура

Додатково можуть підключатися інші пристрої введення та виведення інформації, наприклад звукові колонки, принтер, сканер...

Системний блок- Основний блок комп'ютерної системи. У ньому розташовуються пристрої, які вважаються внутрішніми. Пристрої, що підключаються до системного блоку зовні, є зовнішніми. Для зовнішніх пристроїв використовують термін периферійне обладнання.
Монітор- пристрій для візуального відтворення символьної та графічної інформації. Служить як пристрій виводу. Для настільних ПК в даний час найбільш поширені монітори, що базуються на електронно-променевих трубках. Вони віддалено нагадують побутові телевізори.
Клавіатура- Клавішний пристрій, призначений для керування роботою комп'ютера та введення в нього інформації. Інформація вводиться як алфавітно-цифрових символьних даних.
Миша- Влаштування «графічного» управління.

Внутрішні пристрої персонального комп'ютера
Внутрішніми вважаються пристрої, які знаходяться в системному блоці. Доступ до деяких є на лицьовій панелі, що зручно для швидкої зміни інформаційних носіївнаприклад, гнучких магнітних дисків. Рознімання деяких пристроїв виведені на задню стінку - вони служать для підключення периферійного обладнання. До деяких пристроїв системного блоку доступу не передбачено - для звичайної роботи він не потрібен.

Процесор.Мікропроцесор – основна мікросхема персонального комп'ютера. Усі обчислення виконуються у ній. Основна характеристика процесора – тактова частота (вимірюється в мегагерцях, МГц). Чим вища тактова частота, тим вища продуктивність процесора. Так, наприклад, при тактовій частоті 500 МГц процесор може за одну секунду змінити своє
статки 500 мільйонів разів. Більшість операцій одного такту недостатньо, тому кількість операцій, які процесор може виконати за секунду, залежить тільки від тактової частоти, а й від складності операцій.

Єдиний пристрій, про існування якого процесор «знає від народження», – оперативна пам'ять – з нею він працює спільно. Звідти надходять дані та команди. Дані копіюються в комірки процесора (вони називаються регістрами), та був перетворюються відповідно до змістом команд. Більш повну картину того, як процесор взаємодіє з оперативною пам'яттю, ви отримаєте у розділах, присвячених основам програмування.

Оперативна пам'ять.Оперативну пам'ять можна як великий масив осередків, у яких зберігаються числові дані та команди у той час, коли комп'ютер включений. Обсяг оперативної пам'яті вимірюється у мільйонах байтів – мегабайтах (Мбайт).

Процесор може звернутися до будь-якої комірки оперативної пам'яті (байту), оскільки вона має неповторну числову адресу. Звернутися до індивідуального біта оперативної пам'яті процесор неспроможна, оскільки біта немає адреси. У той же час процесор може змінити стан будь-якого біта, але для цього потрібно кілька дій.

Материнська плата.Материнська плата – це найбільша плата персонального комп'ютера. На ній розташовуються магістралі, що зв'язують процесор з оперативною пам'яттю - так звані шини. Розрізняють шину даних, за якою процесор копіює дані з осередків пам'яті, адресну шину, за якою він підключається до конкретних осередків пам'яті, і шину команд, за якою процесор надходять команди з програм. До шин материнської плати підключаються також інші внутрішні пристрої комп'ютера. Керує роботою материнської плати мікропроцесорний набір мікросхем - про чіпсет.

Відеоадаптер.Відеоадаптер - внутрішній пристрій, що встановлюється в один із роз'ємів материнської плати. У перших персональних комп'ютерах відеоадаптерів не було. Натомість в оперативній пам'яті відводилася невелика область для зберігання відеоданих. Спеціальна мікросхема (відеоконтролер) зчитувала дані з осередків відеопам'яті та відповідно до них керувала монітором.

У міру поліпшення графічних можливостей комп'ютерів область відеопам'яті відокремили від основної оперативної пам'яті та разом з відеоконтролером виділили в окремий прилад, який назвали відеоадаптером. Сучасні відеоадаптери мають власний обчислювальний процесор (відеопроцесор), який знизив навантаження на основний процесор під час побудови складних зображень. Особливо велику роль відеопроцесор відіграє при побудові на плоскому екрані тривимірних зображень. У ході таких операцій йому доводиться виконувати багато математичних розрахунків.

У деяких моделях материнських плат функції відеоадаптера виконують мікросхеми чіпсету - у цьому випадку говорять, що відеоадаптер інтегрований з материнською платою. Якщо відеоадаптер виконаний у вигляді окремого пристрою, його називають відеокартою. Роз'єм відеокарти виведено на задню стінку. До нього підключається монітор.

Звуковий адаптер.Для комп'ютерів IBM PC роботу зі звуком спочатку не було передбачено. Перші десять років існування комп'ютери цієї платформи вважалися офісною технікою та обходилися без звукових пристроїв. В даний час засоби для роботи зі звуком вважаються стандартними. Для цього на материнської плативстановлюється звуковий адаптер. Він може бути інтегрований в чіпсеті материнської плати або виконаний як окрема плата, що підключається, яка називається звуковою картою.
Рознімання звукової карти виведено на задню стінку комп'ютера. Для відтворення звуку до них підключають звукові стовпчики або навушники. Окремий гніздо призначене для підключення мікрофона. При наявності спеціальної програмице дозволяє записувати звук. Є також роз'єм (лінійний вихід) для підключення до зовнішньої звукозаписної або звуковідтворювальної апаратури (магнітофонів, підсилювачів тощо).

Жорсткий диск.Оскільки оперативна пам'ять комп'ютера очищається при вимкненні живлення, необхідно мати пристрій для тривалого зберігання даних і програм. В даний час для цих цілей широко застосовують так звані жорсткі диски.
Принцип дії жорсткого дисказаснований на реєстрації змін магнітного поля поблизу головки, що записує.

Основним параметром жорсткогодиском є ​​ємність, що вимірюється в гігабайтах (мільярдах байтів), Гбайт. Середній розмір сучасного жорсткого диска становить 80 – 160 Гбайт, причому цей параметр неухильно зростає.

Дисковод гнучких дисків.Для транспортування даних між віддаленими комп'ютерами використовують звані гнучкі диски. Стандартний гнучкий диск (дискета) має порівняно невелику ємність 144 Мбайт. За сучасними мірками цього недостатньо для більшості завдань зберігання та транспортування даних, але низька вартість носіїв та високий ступінь готовності до роботи зробили гнучкі диски найпоширенішими носіями даних.

Для запису та читання даних, розміщених на гнучких дисках, служить спеціальний пристрій - дисковод. Приймальний отвір дисковода виведено на передню панель системного блоку.

Дисковод CD-ROM.Для транспортування великих обсягів даних зручно використовувати CD-ROM. Ці диски дозволяють лише читати раніше записані дані - робити записи на них не можна. Місткість одного диска становить близько 650-700 Мбайт.

Для читання компакт-дисків служать дисководи CD-ROM. Основний параметр дисководу CD-ROM-швидкість читання. Вона вимірюється у кратних одиницях. За одиницю прийнято швидкість читання, затверджену в середині 80-х років. для музичних компакт-дисків. Сучасні дисководи CD-ROM забезпечують швидкість читання 40-52х.
Основний недолік дисководів CD-ROM- неможливість запису дисків - подолано в сучасних пристроях одноразового запису - CD-R. Існують також пристрої CD-RW, що дозволяють здійснювати багаторазовий запис.

Принцип зберігання даних на компакт-дисках не магнітний, як гнучкі диски, а оптичний.

Комунікаційні порти.Для зв'язку з іншими пристроями, наприклад, принтером, сканером, клавіатурою, мишею тощо, комп'ютер оснащується так званими портами. Порт - це не просто роз'єм для підключення зовнішнього обладнання, хоча порт закінчується роз'ємом. Порт - складніший пристрій, ніж просто роз'єм, що має свої мікросхеми та кероване програмно.

Мережевий адаптер.Мережні адаптери необхідні комп'ютерам, щоб вони могли обмінюватися даними між собою. Цей прилад стежить за тим, щоб процесор не подав нову порцію даних на зовнішній порт, поки мережевий адаптер сусіднього комп'ютера не скопіював попередню порцію. Після цього процесору дається сигнал, що дані забрані і можна подавати нові. Так здійснюється передача.

Коли мережевий адаптер «дізнається» від сусіднього адаптера, що має порцію даних, він копіює їх до себе, а потім перевіряє, чи вони адресовані. Якщо так, він передає їх процесору. Якщо ні, він виставляє їх на вихідний порт, звідки їх забере адаптер мережі чергового сусіднього комп'ютера. Так дані переміщаються між комп'ютерами доти, доки потраплять до адресату.
Мережеві адаптери можуть бути вбудовані в материнську плату, але частіше встановлюються окремо у вигляді додаткових плат, які називаються мережевими картами.

Електронно-обчислювальні машини прийнято класифікувати за цілою низкою ознак, зокрема: функціональним можливостямі характеру розв'язуваних завдань, за способом організації обчислювального процесу, з архітектурних особливостей та обчислювальної потужності.

За функціональними можливостями та характером розв'язуваних завдань виділяють:

Універсальні (загального призначення) ЕОМ;

Проблемно-орієнтовані ЕОМ;

Спеціалізовані ЕОМ.

Універсальні ЕОМпризначені для вирішення різних інженерно-технічних завдань, що відрізняються складністю алгоритмів і великим обсягом оброблюваних даних.

Проблемно-орієнтовані ЕОМпризначені для вирішення вужчого кола завдань, пов'язаних з реєстрацією, накопиченням та обробкою невеликих обсягів даних.

Спеціалізовані ЕОМвикористовуються для вирішення вузького кола завдань (мікропроцесори та контролери, що виконують функції керування технічними пристроями).

За способом організації обчислювального процесуЕОМ поділяються на однопроцесорні та багатопроцесорні, а також послідовні та паралельні.

Однопроцесорні.У складі ЕОМ є один центральний процесор і всі обчислювальні операції та операції з управління пристроями введення-виведення інформації здійснюються на цьому процесорі.

Багатопроцесорні.У складі ЕОМ є кілька процесорів між якими перерозподіляються функції щодо організації обчислювального процесу та управління пристроями введення-виведення інформації.

Послідовні.Працюють в однопрограмному режимі, коли робота ЕОМ побудована так, що вона може виконувати лише одну програму, і всі її ресурси використовуються тільки в інтересах програми, що виконується.

Паралельні.Працюють в мультипрограмному режимі, коли в ЕОМ на виконанні знаходиться кілька програм користувача і між цими програмами відбувається поділ ресурсів, забезпечуючи їх паралельне виконання.

За архітектурними особливостями та обчислювальною потужністю розрізняють:

Розглянемо схему класифікації ЕОМ з цієї ознакою (рис.1).

Рис.1.Класифікація ЕОМ за архітектурною ознакою

та обчислювальної потужності.

Суперкомп'ютери– це найпотужніші за швидкодією та продуктивністю обчислювальні машини. До суперЕОМ відносяться "Cray" та "IBM SP2" (США). Використовуються для вирішення великомасштабних обчислювальних завдань та моделювання, для складних обчислень в аеродинаміці, метеорології, фізиці високих енергій, також знаходять застосування у фінансовій сфері.

Великі машини чи мейнфрейми (Mainframe).Мейнфрейми використовуються у фінансовій сфері, оборонному комплексі, застосовуються для комплектування відомчих, територіальних та регіональних обчислювальних центрів.

Середні ЕОМширокого призначення використовуються керувати складними технологічними виробничими процесами.

Міні-ЕОМорієнтовані використання як управляючих обчислювальних комплексів, як мережевих серверів.

Мікро-ЕОМ- це комп'ютери, в яких як центральний процесор використовується мікропроцесор. До них відносяться вбудовані мікро-ЕОМ (вбудовані в різне обладнання, апаратуру або прилади) та персональні комп'ютери PC.

Персональні комп'ютери.Бурхливий розвиток набули останні 20 років. Персональний комп'ютер (ПК) призначений для обслуговування одного робочого місця та здатний задовольнити потреби малих підприємств та окремих осіб. З появою Інтернету популярність ПК значно зросла, оскільки за допомогою персонального комп'ютера можна скористатися науковою, довідковою, навчальною та розважальною інформацією.

До персональних комп'ютерів належать настільні та переносні ПК. До переносних ЕОМ відносяться Notebook (блокнот або записна книжка) та кишенькові персональні комп'ютери (Personal Computers Handheld – Handheld PC, Personal Digital Assistants – PDA та Palmtop).

Вбудовані комп'ютериКомп'ютери, які використовуються в різних пристроях, системах, комплексах для реалізації конкретних функцій. Наприклад, діагностика автомобілів.

З 1999 року класифікації ПК використовується міжнародний сертифікаційний стандарт – специфікація РС99. Відповідно до цієї специфікації ПК поділяються на такі групи:

· Масові ПК (Consumer PC);

· Ділові ПК (Office PC);

· Портативні ПК (Mobile PC);

· Робочі станції (WorkStation);

· Розважальні ПК (Entertaiment PC).

Більшість ПК відноситься до масовимта включають стандартний (мінімально необхідний) набір апаратних засобів. Цей набір складається з системного блоку, дисплея, клавіатури, маніпулятора типу «миша». За необхідності цей набір легко доповнюється іншими пристроями за бажанням користувача, наприклад принтером.

Ділові ПКвключають мінімум засобів відтворення графіки та звуку.

Портативні ПКвідрізняються наявністю засобів комунікації віддаленого доступу.

Робочі станціївідповідають підвищеним вимогам обсягів пам'яті пристроїв зберігання даних.

Розважальні ПКорієнтовані на високоякісне відтворення графіки та звуку.

за конструктивним особливостям ПК поділяються на:

· Стаціонарні (настільні, Desktop);

· Переносні:

· Портативні (Laptop);

· Блокнотні (Notebook);

· Кишенькові (Рalmtop).

Для ефективного вивчення прикладних комп'ютерних технологій надзвичайно важливо мати чітке уявлення про апаратні та програмні засоби обчислювальної техніки. Склад обчислювальної техніки називається конфігурацією . Апаратні та програмні засобиобчислювальної техніки прийнято розглядати окремо. Відповідно, окремо розглядають апаратну конфігурацію та їх програмну конфігурацію. Такий принцип поділу має для інформатики особливе значення, оскільки дуже часто вирішення тих самих завдань може забезпечуватися як апаратними, так і програмними засобами. Критеріями вибору апаратного чи програмного рішення є продуктивність та ефективність. Наприклад, або текст набирати в текстовому редакторі, або використовувати сканер.

Базова апаратна конфігурація персонального комп'ютера

Персональний комп'ютер – універсальна технічна система. Його конфігурацію (склад обладнання) можна гнучко змінювати за необхідності. Тим не менш, існує поняття базової конфігурації , Яку вважають типовою, тобто. мінімальний набір обладнання. У такому комплекті комп'ютер зазвичай постачається. Концепція базової конфігурації може змінюватися. В даний час у базовій конфігурації розглядають наступні пристрої(Рис. 2.1.):

Давайте ознайомимося із його частинами.

До основних технічним засобамперсонального комп'ютера відносяться:

- системний блок;

- монітор (дисплей);

- Клавіатура.

Додатково до комп'ютера можна підключити, наприклад:

- Принтер;

- миша;

- Сканер;

- модем (модулятор-демодулятор);

- графобудівник;

- джойстик і т.д.

Системний блок

Системний блок є основним вузол, всередині якого встановлені найбільш важливі компоненти. Системний блок (Див. рис. 2.2., 2.3.)- Це корпус, в якому знаходиться майже вся апаратна частина комп'ютера.

Пристрої, що знаходяться усередині системного блоку називають внутрішніми, а пристрої, що підключаються до нього зовні, називають зовнішніми. Зовнішні додаткові пристрої, також називають периферійними.

Внутрішній пристрійсистемного блоку:

· материнська плата;

· жорсткий диск:

· Дисковод гнучких дисків;

· Дисковод компакт-дисків CD-ROM;

· Відеокарта (відеоадаптер);

· звукова карта;

· блок живлення.

Системи, розташовані на материнської плати:

· оперативна пам'ять;

· Процесор;

· Мікросхема ПЗУ та система BIOS;

· Шинні інтерфейси та ін.

Магнітні диски, на відміну оперативної пам'яті, призначені для постійного зберігання інформації.

У ПК застосовуються два види магнітних дисків:

· Жорсткий незмінний диск (вінчестер);

· Змінні, гнучкі диски (дискети).

Жорсткий диск призначений для постійного зберігання тієї інформації, яка більш менш часто використовується в роботі: програм операційної системи, компіляторів з мов програмування, сервісних (обслуговуючих) програм, прикладних програм користувача, текстових документів, файлів бази даних тощо. Вінчестер значно перевершує гнучкі диски за швидкістю доступу, ємності та надійності.

3. Обчислювальна техніка 1

3.1 Історія розвитку засобів обчислювальної техніки 1

3.2 Методи класифікації комп'ютерів 3

3.3 Інші види класифікації комп'ютерів 5

3.4 Склад обчислювальної системи 7

3.4.1 Апаратне забезпечення 7

3.4.2 Програмне забезпечення 7

3.5 Класифікація прикладних програмних засобів 9

3.6 Класифікація службових програмних засобів 12

3.7 Поняття про інформаційне та математичне забезпечення обчислювальних систем 13

3.8 Підбиття підсумків 13

1. Обчислювальна техніка

   1. Історія розвитку засобів обчислювальної техніки

Обчислювальна система, комп'ютер

Дослідження засобів і методів механізації та автоматизації робіт - одне з основних завдань технічних дисциплін. Автоматизація робіт із даними має свої особливості та відмінності від автоматизації інших типів робіт. Для цього класу завдань використовують спеціальні види пристроїв, більшість з яких є електронними приладами. Сукупність пристроїв, призначених для автоматичного або автоматизованого оброблення даних, називають обчислювальною технікою,Конкретний набір пристроїв і програм, що взаємодіють між собою, призначений для обслуговування однієї робочої ділянки, називають обчислювальною системою.Центральним пристроєм більшості обчислювальних систем є комп'ютер.

Комп'ютер - це електронний прилад, призначений для автоматизації створення, зберігання, обробки та транспортування даних.

Принцип дії комп'ютера

У визначенні комп'ютера як приладу ми вказали визначальну ознаку - електронний.Однак автоматичні обчислення не завжди робилися електронними пристроями. Відомі та механічні пристрої, здатні виконувати розрахунки автоматично.

Аналізуючи ранню історіюобчислювальної техніки, деякі зарубіжні дослідники нерідко як стародавній попередник комп'ютера називають механічний рахунковий пристрій абак.Підхід «від абака» свідчить про глибоку методичну помилку, оскільки абак не має властивості автоматичного виконання обчислень, а для комп'ютера воно визначальне.

Абак- найбільш ранній лічильний механічний пристрій, що спочатку представляв собою глиняну пластину з жолобами, в яких розкладалися камені, що представляють числа. Поява абака відносять до четвертого тисячоліття до зв. е. Місцем появи вважається Азія. У середні віки у Європі абак змінився розграфленими таблицями. Обчислення з їхньою допомогою називали рахунком на лініях, ав Росії в XVI-XVII століттях з'явився набагато більш передовий винахід, що застосовується і донині, - Російські рахунки.

У той же час нам добре знайомий інший прилад, здатний автоматично виконувати обчислення, - це годинник. Незалежно від принципу дії, всі види годинників (пісочні, водяні, механічні, електричні, електронні та ін.) мають здатність генерувати через рівні проміжки часу переміщення або сигнали і реєструвати зміни, що виникають при цьому, тобто виконувати автоматичне підсумовування сигналів або переміщень. Цей принцип простежується навіть у сонячному годиннику, що містить лише пристрій реєстрації (роль генератора виконує система Земля - ​​Сонце).

Механічний годинник - прилад, що складається з пристрою, що автоматично виконує переміщення через рівні задані інтервали часу та пристрої реєстрації цих переміщень. Місце появи першого механічного годинника невідоме. Найбільш ранні зразки відносяться до XIV століття і належать монастирям (баштовий годинник).

В основі будь-якого сучасного комп'ютера, як і в електронний годинник, лежить генератор тактовий,який виробляє через рівні інтервали часу електричні сигнали, які використовуються для приведення в дію всіх пристроїв комп'ютерної системи. Керування комп'ютером фактично зводиться до керування розподілом сигналів між пристроями. Таке управління може здійснюватися автоматично (у цьому випадку говорять про програмному управлінні)або вручну за допомогою зовнішніх органів управління – кнопок, перемикачів, перемичок тощо (у ранніх моделях). У сучасних комп'ютерах зовнішнє керування значною мірою автоматизовано за допомогою спеціальних апаратно-логічних інтерфейсів, до яких підключаються пристрої керування та введення даних (клавіатура, миша, джойстик та інші). На відміну від програмного управління, таке управління називають інтерактивним.

Механічні першоджерела

Перший у світі автоматичний пристрій для виконання операції додавання було створено на базі механічних годинників. 1623 року його розробив Вільгельм Шикард, професор кафедри східних мов в університеті Тюбінгена (Німеччина). В наші дні робоча модель пристрою була відтворена за кресленнями та підтвердила свою працездатність. Сам винахідник у листах називав машину «підсумовуючим годинником».

У 1642 році французький механік Блез Паскаль (1623-1662) розробив компактніший підсумовуючий пристрій, який став першим у світі механічним калькулятором, що випускався серійно (головним чином для потреб паризьких лихварів і змінював). У 1673 році німецький математик і філософ Г. В. Лейбніц (1646-1717) створив механічний калькулятор, який міг виконувати операції множення та поділу шляхом багаторазового повторення операцій складання та віднімання.

Протягом XVIII століття, відомого як епоха Просвітництва, з'явилися нові, досконаліші моделі, але принцип механічного управління обчислювальними операціями залишався тим самим. Ідея програмування обчислювальних операцій прийшла з тієї ж годинної промисловості. Старовинний монастирський баштовий годинник був налаштований так, щоб у заданий час включати механізм, пов'язаний із системою дзвонів. Таке програмування було жорстким -одна й та операція виконувалася в один і той же час.

Ідея гнучкого програмування механічних пристроїв за допомогою перфорованої паперової стрічки вперше була реалізована у 1804 році у ткацькому верстаті Жаккарда, після чого залишався лише один крок до програмного управлінняобчислювальними операціями.

Цей крок був зроблений видатним англійським математиком і винахідником Чарльзом Беббіджем (1792-1871) у його Аналітичній машині, яка, на жаль, так і не була до кінця побудована винахідником за життя, але була відтворена в наші дні за його кресленнями, тож сьогодні ми маємо право говорити про Аналітичну машину, як про реально існуючий пристрій. Особливістю Аналітичної машини стало те, що тут вперше було реалізовано принцип поділу інформації на команди та дані.Аналітична машина містила два великі вузли – «склад» та «млин». Дані вводилися в механічну пам'ять «складу» шляхом встановлення блоків шестерень, а потім оброблялися в «млині» з використанням команд, які вводилися з перфорованих карток (як у ткацькому верстаті Жаккарда).

Дослідники творчості Чарльза Беббиджа обов'язково відзначають особливу роль розробці проекту Аналітичної машини графині Огасти Ади Лавлейс (1815-1852), дочки відомого поета лорда Байрона. Саме їй належала ідея використання перфорованих карт для програмування обчислювальних операцій (1843). Зокрема, в одному з листів вона писала: «Аналітична машина так само плете алгебраїчні візерунки, як ткацький верстат відтворює квіти та листя». Леді Аду можна з повною підставою назвати першим у світі програмістом. Сьогодні її ім'ям названо одну з відомих мов програмування.

Ідея Чарльза Беббіджа про окремий розгляд команді данихвиявилася надзвичайно плідною. У XX ст. вона була розвинена в принципах Джона фон Неймана (1941), і сьогодні в обчислювальній техніці принцип роздільного розгляду програмі данихмає дуже важливе значення. Він враховується і розробки архітектур сучасних комп'ютерів, і розробки комп'ютерних програм.

Математичні першоджерела

Якщо ми замислимося над тим, з якими об'єктами працювали перші механічні попередники сучасного електронного комп'ютера, то маємо визнати, що числа представлялися або у вигляді лінійних переміщень ланцюгових і рейкових механізмів або у вигляді кутових переміщень зубчастих і важільних механізмів. І в тому і в іншому випадку це були переміщення, що не могло не позначатися на габаритах пристроїв та швидкості їх роботи. Лише перехід від реєстрації переміщень до реєстрації сигналів дозволив значно знизити габарити та підвищити швидкодію. Однак на шляху до цього досягнення потрібно було запровадити ще кілька важливих принципів та понять.

Двійкова система Лейбниця.У механічних пристроях зубчасті колеса можуть мати досить багато фіксованих і, головне, різних міжсобою положень. Кількість таких положень, принаймні, дорівнює кількості зубів шестірні. В електричних та електронних пристроїв мова йдене про реєстрацію положеньелементів конструкції, а про реєстрацію станівелементів пристрою. Таких стійких та помітнихстанів всього два: увімкнений - вимкнений; відкритий – закритий; заряджений - розряджений і т. п. Тому традиційна десяткова система, використана в механічних калькуляторах, незручна для електронних обчислювальних пристроїв.

Можливість представлення будь-яких чисел (та й не тільки чисел) двійковими цифрами вперше була запропонована Готфрідом Вільгельмом Лейбніцем у 1666 році. Він прийшов до двійкової системи числення, займаючись дослідженнями філософської концепції єдності та боротьби протилежностей. Спроба представити світобудову у вигляді безперервної взаємодії двох початків («чорного» і «білого», чоловічого та жіночого, добра і зла) і застосувати до його вивчення методи «чистої» математики підштовхнули Лейбніца до вивчення властивостей двійкового представлення даних. Треба сказати, що Лейбніцу вже тоді спадала на думку про можливість використання двійкової системи в обчислювальному пристрої, але, оскільки для механічних пристроїв у цьому не було необхідності, він не став використовувати у своєму калькуляторі (1673) принципи двійкової системи.

Математична логіка Джорджа Буля,Говорячи про творчість Джорджа Буля, дослідники історії обчислювальної техніки неодмінно підкреслюють, що цей видатний англійський вчений у першій половині ХІХ століття був самоукою. Можливо, саме завдяки відсутності «класичної» (в розумінні того часу) освіти Джордж Буль вніс у логіку як науку революційні зміни.

Займаючись дослідженням законів мислення, він застосував у логіці систему формальних позначень та правил, близьку до математичної. Згодом цю систему назвали логічною алгеброюабо булевою алгеброю.Правила цієї системи застосовні до найрізноманітніших об'єктів та їх груп (множинам,з термінології автора). Основне призначення системи, за задумом Дж. Буля, полягало в тому, щоб кодувати логічні висловлювання і зводити структури логічних висновків до простих виразів, близьких формою до математичних формул. Результатом формального розрахунку логічного виразу є одне із двох логічних значень: істинаабо брехня.

Значення логічної алгебри тривалий час ігнорувалося, оскільки її прийоми та методи не містили практичної користі для науки та техніки на той час. Однак, коли з'явилася принципова можливість створення засобів обчислювальної техніки на електронній базі, операції, запроваджені Булем, виявилися дуже корисними. Вони спочатку орієнтовані працювати лише з двома сутностями: істинаі брехня.Неважко зрозуміти, як вони стали в нагоді для роботи з двійковим кодом, який у сучасних комп'ютерах теж представляється всього двома сигналами: нульі одиниця.

Не вся система Джорджа Буля (як і не всі запропоновані ним логічні операції) були використані при створенні електронних обчислювальних машин, але чотири основні операції: І (перетин),АБО (Об'єднання),НЕ (звернення)і ВИКЛЮЧНЕ АБО - лежать в основі роботи всіх видів процесорів сучасних комп'ютерів.

Мал. 3.1. Основні операції логічної алгебри

Класифікація засобів обчислювальної техніки

1. Апаратне забезпечення

Склад обчислювальної системи називається конфігурацією. Апаратні та програмні засоби обчислювальної техніки прийнято розглядати окремо. Відповідно, окремо розглядають апаратну конфігурацію обчислювальних систем та їхню програмну конфігурацію. Такий принцип поділу має для інформатики особливе значення, оскільки дуже часто вирішення тих самих завдань може забезпечуватися як апаратними, так і програмними засобами. Критеріями вибору апаратного чи програмного рішення є продуктивність та ефективність. Зазвичай прийнято вважати, що апаратні рішення в середньому виявляються дорожчими, зате реалізація програмних рішеньпотребує вищої кваліфікації персоналу.

До апаратного забезпеченняобчислювальних систем відносяться пристрої та прилади, що утворюють апаратну конфігурацію. Сучасні комп'ютерита обчислювальні комплекси мають блочно-модульну конструкцію - апаратну конфігурацію, необхідну для виконання конкретних видівробіт, яку можна збирати з готових вузлів та блоків.

Основними апаратними компонентами обчислювальної системи є: пам'ять, центральний процесор і периферійні пристрої, які з'єднані між собою системною магістраллю (Рис.1.). унікальна цифрова адреса. Як правило, розмір комірки складає 1 байт. Типові операції над основною пам'яттю: зчитування та запис вмісту осередку з певною адресою.

2. Центральний процесор

Центральний процесор - це центральний пристрій комп'ютера, який виконує операції з обробці даних та керує периферійними пристроями комп'ютера. До складу центрального процесора входять:

Пристрій управління - організує процес виконання програм та координує взаємодію всіх пристроїв обчислювальної системи під час її роботи;

Арифметико-логічний пристрій - виконує арифметичні та логічні операції над даними: додавання, віднімання, множення, поділ, порівняння та ін;

Запам'ятовуючий пристрій - є внутрішню пам'ятьпроцесора, що складається з регістрів, при використанні яких процесор виконує розрахунки та зберігає проміжні результати; для прискорення роботи з оперативною пам'яттю використовується кеш-пам'ять, в яку з випередженням підкачуються команди та дані з оперативної пам'яті, необхідні процесору наступних операцій;

Генератор тактової частоти – генерує електричні імпульси, що синхронізують роботу всіх вузлів комп'ютера.

Центральний процесор виконує різні операції з даними за допомогою спеціалізованих осередків для зберігання ключових змінних та часових результатів - внутрішніх регістрів. Регістри поділяються на два види (рис.2.):

Регістри загального призначення - використовуються для тимчасового зберігання ключових локальних змінних та проміжних результатів обчислень, включають регістри даних та регістри-покажчики; основна функція полягає у забезпеченні швидкого доступудо даних, що часто використовуються (зазвичай без звернень до пам'яті).

Спеціалізовані регістри - використовуються контролю роботи процесора, найважливіші їх: регістр команд, покажчик стека, регістр прапорів і регістр, містить інформацію про стан програми.

Регістри даних програміст може використовувати на власний розсуд для тимчасового зберігання будь-яких об'єктів (даних або адрес) і виконання необхідних операцій. Індексні регістри так само, як і регістри даних можуть використовуватися довільним чином; їхнє основне призначення - зберігати індекси або зміщення даних і команд від початку базової адреси (при вибірці операндів з пам'яті). Адреса бази у своїй може бути у базових регістрах.

Сегментні регістри є найважливішим елементом архітектури процесора, забезпечуючи адресацію 20-розрядного адресного простору за допомогою 16-розрядних операндів. Основні сегментні регістри: CS – регістр сегмента коду; DS – регістр сегмента даних; SS – регістр сегмента стека, ES – додатковий сегментальний регістр. Звернення до пам'яті здійснюється у вигляді сегментів - логічних утворень, накладених будь-які ділянки фізичного адресного простору. Початкова адреса сегмента, поділена на 16 (без молодшої шістнадцяткової цифри) заноситься в один із сегментних регістрів; після чого надається доступ до ділянки пам'яті, що починається із заданої сегментної адреси.

Адреса будь-якого осередку пам'яті складається з двох слів, одне з яких визначає розташування в пам'яті відповідного сегмента, а інше - усунення в межах цього сегмента. Розмір сегмента визначається обсягом даних, що містяться в ньому, але ніколи не може перевищувати величину 64 Кбайт, що визначається максимально можливою величиною зміщення. Сегментна адреса сегмента команд зберігається в регістрі CS, а зміщення до байта, що адресується - в регістрі покажчика команд IP.

Рис.2. Регістри 32-х розрядного процесора

Після завантаження програми в IP заноситься усунення першої команди програми. Процесор, вважавши її з пам'яті, збільшує вміст IP точно на довжину цієї команди (команди процесорів Intel можуть мати довжину від 1 до 6 байт), у результаті IP вказує на другу команду програми. Виконавши першу команду, процесор зчитує з другої пам'яті, знову збільшуючи значення IP. У результаті IP завжди знаходиться зміщення чергової команди - команди, наступної за виконуваної. Описаний алгоритм порушується тільки під час виконання команд переходів, викликів підпрограм та обслуговування переривань.

Сегментна адреса сегмента даних зберігається в регістрі DS, зсув може бути в одному з регістрів загального призначення. Додатковий сегментний регістр ES використовується для звернення до полів даних, що не входять до програми, наприклад відеобуфера або системних осередків. Однак за потреби його можна налаштувати і на один із сегментів програми. Наприклад, якщо програма працює з великим обсягом даних, для них можна передбачити два сегменти і звертатися до одного з них через регістр DS, а до іншого через регістр ES.

Регістр-покажчик стека SP використовується як покажчик вершини стека. Стеком називають область програми для тимчасового зберігання довільних даних. Зручність стека полягає в тому, що його область використовується багаторазово, причому збереження в стеку даних та вибірка звідти виконується за допомогою команд push і pop без вказівки імен. Стек традиційно використовується для збереження вмісту регістрів, що використовуються програмою, перед викликом підпрограми, яка, у свою чергу, використовуватиме регістри процесора у своїх особистих цілях. Вихідний вміст регістрів витягується зі стека після повернення з підпрограми. Інший поширений прийом - передача підпрограмі необхідних нею параметрів через стек. Підпрограма, знаючи, в якому порядку поміщені в стек параметри, може забрати їх звідти та використовувати під час виконання.

Відмінною особливістю стека є своєрідний порядок вибірки даних, що містяться в ньому: у будь-який момент часу в стеку доступний тільки верхній елемент, тобто елемент, завантажений в стек останнім. Вивантаження зі стека верхнього елемента робить доступним наступний елемент. Елементи стека розташовуються в області пам'яті, відведеної під стек, починаючи з дна стека (з його максимальної адреси) за адресами, що послідовно зменшуються. Адреса верхнього доступного елемента зберігається в регістрі-покажчику стека SP.

Спеціальні регістри доступні лише у привілейованому режимі та використовуються операційною системою. Вони контролюють різні блоки кеш-пам'яті, основну пам'ять, пристрої введення-виведення та інші пристрої обчислювальної системи.

Існує один регістр, який доступний як у привілейованому, так і в режимі користувача. Це регістр PSW (Program State Word – слово стану програми), який називають прапоровим. Прапорний регістр містить різні біти, необхідні центральному процесору, найважливіші - коди умов, які використовуються при порівняннях та умовних переходах. Вони встановлюються в кожному циклі арифметико-логічного пристрою процесора та відображають стан результату попередньої операції. Вміст прапорового регістру залежить від типу обчислювальної системи і може містити додаткові поля, які вказують: режим машини (наприклад, користувальницький або привілейований); біт трасування (який використовується для налагодження); рівень пріоритету процесора; статус дозволу переривань. Прапорний регістр зазвичай читається в режимі користувача, але деякі поля можуть записуватися тільки в привілейованому режимі (наприклад, біт, який вказує режим).

Регістр покажчик команд містить адресу наступної, що у черзі виконання команди. Після вибору команди з пам'яті регістр команд коригується і покажчик переходить до наступної команди. Покажчик команд стежить за ходом виконання програми, вказуючи в кожний момент відносну адресу команди, яка йде за виконуваною. Реєстр програмно недоступний; нарощування адреси у ньому виконує мікропроцесор, враховуючи у своїй довжину поточної команди. Команди переходів, переривань, виклику підпрограм і повернення їх змінюють вміст покажчика, здійснюючи цим переходи у необхідні точки програми.

Регістр акумулятора використовується в переважній кількості команд. Команди, що часто застосовуються, використовують цей регістр, мають укорочений формат.

Для обробки інформації зазвичай організовується передача даних із осередків пам'яті в регістри загального призначення, виконання операції центральним процесоромта передача результатів у основну пам'ять. Програми зберігаються як послідовності машинних команд, які має виконувати центральний процесор. Кожна команда складається з поля операції та полів операндів - даних, над якими виконується ця операція. Набір машинних команд називається машинною мовою. Виконання програм здійснюється в такий спосіб. Машинна команда, яку вказує програмний лічильник, зчитується з пам'яті і копіюється в регістр команд, де декодується, після чого виконується. Після виконання програмний лічильник вказує на наступну команду і т.д. Ці дії називаються машинним циклом.

Більшість центральних процесорів мають два режими роботи: режим ядра та користувальницький, який задається бітом слова стану процесора (прапорного регістру). Якщо процесор запущено в режимі ядра, він може виконувати всі команди з набору вказівок та використовувати всі можливості апаратури. Операційна система працює в режимі ядра та надає доступ до всього обладнання. Програми користувачів працюють у режимі користувача, який дозволяє виконання безлічі команд, але робить доступним тільки частину апаратних засобів.

Для зв'язку з операційною системою програма користувача повинна сформувати системний виклик, який забезпечує перехід в режим ядра і активізує функції операційної системи. Команда trap (емульоване переривання) перемикає режим роботи процесора з користувача в режим ядра і передає управління операційною системою. Після завершення роботи управління повертається до програми користувача, до команди, що йде за системним викликом.

У комп'ютерах, крім інструкцій для здійснення системних викликів, є переривання, які викликаються апаратно для попередження про виняткові ситуації, наприклад, спроба поділу на нуль або переповнення при операціях з плаваючою точкою. У всіх подібних випадках управління переходить до операційної системи, яка повинна вирішити, що робити далі. Іноді потрібно завершити програму з повідомленням про помилку, іноді можна проігнорувати (наприклад, при втраті значущості числа його можна прийняти рівним нулю) або передати управління самій програмі обробки деяких видів умов.

За способом розташування пристроїв щодо центрального процесора розрізняють внутрішні та зовнішні пристрої. Зовнішніми, як правило, є більшість пристроїв введення-виведення даних (їх також називають периферійними пристроями) та деякі пристрої, призначені для тривалого зберігання даних.

Узгодження між окремими вузлами та блоками виконують за допомогою перехідних апаратно-логічних пристроїв, які називають апаратними інтерфейсами. Стандарти на апаратні інтерфейси в обчислювальної техніки називають протоколами - сукупністю технічних умов, які мають бути забезпечені розробниками пристроїв для успішного узгодження їх роботи з іншими пристроями.

Численні інтерфейси, присутні у архітектурі будь-якої обчислювальної системи, можна умовно розділити на великі групи: послідовні і паралельні. Через послідовний інтерфейс дані передаються послідовно, біт за бітом, а через паралельний - одночасно групами бітів. Кількість бітів, що у однієї посилці, визначається розрядністю інтерфейсу, наприклад, восьмиразрядные паралельні інтерфейси передають один байт (8 біт) за цикл.

Паралельні інтерфейси зазвичай мають складніший пристрій, ніж послідовні, але забезпечують більш високу продуктивність. Їх застосовують там, де важлива швидкість передачі: для підключення друкувальних пристроїв, пристроїв введення графічної інформації, пристроїв запису даних на зовнішній носій і т.п. Продуктивність паралельних інтерфейсів вимірюють байтами за секунду (байт/с; Кбайт/с; Мбайт/с).

Пристрій послідовних інтерфейсівпростіше; як правило, для них не треба синхронізувати роботу передавального та приймаючого пристрою (тому їх часто називають асинхронними інтерфейсами), але пропускна здатність їх менша і коефіцієнт корисної діїнижче. Оскільки обмін даними через послідовні устрою виробляється не байтами, а бітами, їх продуктивність вимірюють бітами за секунду (біт/с, Кбіт/с, Мбіт/с). Незважаючи на простоту переведення одиниць вимірювання швидкості послідовної передачі в одиниці вимірювання швидкості паралельної передачі даних шляхом механічного поділу на 8, такий перерахунок не виконують, оскільки він не коректний через наявність службових даних. У крайньому випадку з поправкою на службові дані іноді швидкість послідовних пристроїв виражають у знаках в секунду або в символах в секунду (с/с), але ця величина має не технічний, а довідковий, споживчий характер.

Послідовні інтерфейси застосовують для підключення повільних пристроїв (найпростіших пристроїв друку низької якості: пристроїв введення та виведення знакової та сигнальної інформації, контрольних датчиків, малопродуктивних пристроїв зв'язку тощо), а також у тих випадках, коли немає суттєвих обмежень щодо тривалості обміну даними (Цифрові фотокамери).

Другою основною складовою комп'ютера є пам'ять. Система пам'яті конструюється як ієрархії верств (рис.3.). Верхній шар складається із внутрішніх регістрів центрального процесора. Внутрішні регістри надають можливість для зберігання 32 х 32 біт на 32-розрядному процесорі та 64 х 64 біт на 64-розрядному процесорі, що становить менше одного кілобайта в обох випадках. Програми самі можуть управляти регістрами (тобто вирішувати, що у них зберігати) без втручання апаратури.

Рис.3. Типова ієрархічна структурапам'яті

У наступному шарі знаходиться кеш-пам'ять, переважно контрольована обладнанням. Оперативна пам'ять розділена на кеш-рядки, зазвичай по 64 байт, з адресацією від 0 до 63 у нульовому рядку, від 64 до 127 у першому рядку і т.д. Найчастіше використовувані рядки кеша зберігаються у високошвидкісній кеш-пам'яті, розташованій усередині центрального процесора або дуже близько до нього. Коли програма повинна прочитати слово з пам'яті, кеш-мікросхема перевіряє, чи потрібний рядок у кеші. Якщо це так, відбувається результативне звернення до кеш-пам'яті, запит задовольняється повністю з кеша і запит до пам'яті на шину не виставляється. Вдале звернення до кешу, зазвичай, у часі займає близько двох тактів, а невдале призводить до звернення до пам'яті із значною втратою часу. Кеш-пам'ять обмежена у розмірі, що зумовлено її високою вартістю. У деяких машинах є два або навіть три рівні кешу, причому кожен наступний повільніший і більший за попередній.

Далі слідує оперативна пам'ять (ОЗУ - оперативний пристрій, англ. RAM, Random Access Memory - пам'ять з довільним доступом). Це головна робоча область пам'яті обчислювальної системи. Усі запити центрального процесора, які можуть бути виконані кеш-пам'яттю, надходять для обробки в основну пам'ять. Працюючи кількох програм на комп'ютері бажано складні програми поміщати в оперативну пам'ять. Захист програм один від одного та їх переміщення в пам'яті реалізується за допомогою обладнання комп'ютера двома спеціалізованими регістрами: базовим регістром та граничним регістром.

У найпростішому випадку (рис.4.а), коли програма починає працювати, в базовий регістр завантажується адреса початку модуля програми, що виконується, а граничний регістр говорить про те, скільки займає виконуваний модуль програми разом з даними. При вибірці команди з пам'яті апаратура перевіряє лічильник команд, і якщо він менше, ніж граничний регістр, додає до нього значення базового регістру, а суму передає пам'яті. Коли програма хоче прочитати слово даних (наприклад, з адреси 10000), апаратура автоматично додає до цієї адреси вміст базового регістру (наприклад, 50000) та передає суму (60000) пам'яті. Базовий регістр дає можливість програмі посилатися на будь-яку частину пам'яті, що йде за адресою, що зберігається в ньому. Крім того, граничний регістр забороняє програмі звернення до будь-якої частини пам'яті після програми. Таким чином, за допомогою цієї схеми вирішуються обидві завдання: захисту та переміщення програм.

В результаті перевірки та перетворення даних, адреса, сформована програмою і звана віртуальною адресою, переводиться на адресу, яка використовується пам'яттю і називається фізичною адресою. Пристрій, який виконує перевірку та перетворення, називається пристроєм керування пам'яттю або диспетчером пам'яті (MMU, Memory Management Unit). Диспетчер пам'яті знаходиться або у схемі процесора, або близько до неї, але логічно знаходиться між процесором і пам'яттю.

Більш складний диспетчер пам'яті складається з двох пар базових та граничних регістрів. Одна пара призначена для тексту програми, інша пара – для даних. Командний регістр і посилання на текст програми працюють із першою парою регістрів, посилання дані використовують другу пару регістрів. Завдяки такому механізму з'являється можливість ділити одну програму між декількома користувачами при зберіганні у ОЗУ лише однієї копії програми, що у простої схемі. Працюючи програми №1 чотири регістри розташовуються так, як показано на рис.4 (б) зліва, під час роботи програми №2 - справа. Керування диспетчером пам'яті є функцією операційної системи.

Наступним у структурі пам'яті йде магнітний диск (жорсткий диск). Дискова пам'ять на два порядки дешевша за ОЗУ в перерахунку на біт і більше за величиною, але доступ до даних, розміщених на диску, займає приблизно на три порядки більше часу. Причиною низької швидкості жорсткого диска є той факт, що диск є механічною конструкцією. Жорсткий диск складається з однієї або декількох металевих пластин, що обертаються зі швидкістю 5400, 7200 або 10800 обертів на хвилину (рис.5). Інформація записується на пластини у вигляді концентричних кіл. Головки читання/запису в кожній заданій позиції можуть прочитати кільце на пластині, що називається доріжкою. Всі разом доріжки для заданої позиції виделки утворюють циліндр.

Кожна доріжка розділена на кілька секторів, зазвичай по 512 байт на сектор. на сучасних дискахзовнішні циліндри містять більше секторів, ніж внутрішні. Переміщення головки від одного до одного циліндра займає близько 1 мс, а переміщення до довільного циліндра вимагає від 5 до 10 мс, в залежності від диска. Коли головка розташовується над потрібною доріжкою, слід чекати, поки двигун поверне диск так, щоб під головкою став необхідний сектор. Це займає додатково від 5 до 10 мс залежно від швидкості обертання диска. Коли сектор перебуває під головкою, процес читання чи запису відбувається зі швидкістю від 5 Мбайт/с (для низькошвидкісних дисків) до 160 Мбайт/с (для високошвидкісних дисків).

Останній шар займає магнітна стрічка. Цей носій часто використовувався для створення резервних копійпростору жорсткого диска або для зберігання великих наборівданих. Для доступу до інформації стрічку поміщали пристрій для читання магнітних стрічок, потім її перемотували до запитуваного блоку з інформацією. Весь процес тривав хвилини. Описана ієрархія пам'яті типова, але в деяких варіантах можуть бути не всі рівні або інші види (наприклад, оптичний диск). У будь-якому випадку під час руху по ієрархії зверху вниз час довільного доступу значно збільшується від пристрою до пристрою, і місткість зростає еквівалентно часу доступу.

Крім описаних вище видів у багатьох комп'ютерах є постійна пам'ять з довільним доступом (ПЗУ - постійний пристрій, ROM, Read Only Memory - пам'ять тільки для читання), яка не втрачає свій вміст при виключенні живлення обчислювальної системи. ПЗУ програмується у процесі виробництва та після цього його вміст не можна змінити. На деяких комп'ютерах ПЗУ знаходяться програми початкового завантаження, які використовуються при запуску комп'ютера, і деякі картки вводу-виводу для керування низькорівневими пристроями.

Електрично стирається ПЗП (EEPROM, Electrically Erasable ROM) і флеш-ОЗУ (flash RAM) також енергонезалежні, але на відміну від ПЗП їх вміст можна стерти і переписати. Однак запис даних на них потребує набагато більше часу, ніж запис в оперативну пам'ять. Тому вони використовуються так само, як і ПЗУ.

Існує ще один вид пам'яті - CMOS-пам'ять, яка є енергозалежною та використовується для зберігання поточної дати та поточного часу. Пам'ять отримує живлення від акумулятора, вбудованого в комп'ютер, може містити параметри конфігурації (наприклад, вказівка, з якого жорсткого диска робити завантаження).

3. Пристрої введення-виводу

Іншими пристроями, які тісно взаємодіють з операційною системою, є пристрої вводу-виводу, які складаються з двох частин: контролера і самого пристрою. Контролер являє собою мікросхему (набір мікросхем) на платі, що вставляється в роз'єм, яка приймає і виконує команди операційної системи.

Наприклад, контролер приймає команду читання певного сектора з диска. Для виконання команди контролер перетворює лінійний номер сектора диска на номер циліндра, сектора та головки. Операція перетворення ускладнюється тим, що зовнішні циліндри можуть мати більше секторів, ніж внутрішні. Потім контролер визначає, над яким циліндром знаходиться в Наразіголовка і дає послідовність імпульсів, щоб перемістити головку на необхідну кількість циліндрів. Після цього контролер чекає, поки повернеться диск, помістивши потрібний сектор під головку. Потім послідовно виконуються процеси читання та збереження бітів у міру надходження їх з диска, процеси видалення заголовка та обчислення контрольної суми. Далі контролер збирає отримані біти у слова та зберігає їх у пам'яті. Для цієї роботи контролери містять вбудовані мікропрограми.

Сам пристрій вводу-виводу має простий інтерфейс, який має відповідати єдиному стандарту IDE (IDE, Integrated Drive Electronics – вбудований інтерфейс накопичувачів). Оскільки інтерфейс пристрою прихований контролером, операційна система бачить тільки інтерфейс контролера, який може відрізнятися від інтерфейсу пристрою.

Так як контролери для різних пристроїввводу-виводу відрізняються один від одного, то для керування ними потрібно відповідне програмне забезпечення - драйвери. Тому кожен виробник контролерів повинен постачати драйвери для підтримуваних ним операційних систем. Щоб встановити драйвер в операційну систему, існує три способи:

Знову скомпонувати ядро ​​разом з новим драйвером і потім перезавантажити систему, так працює безліч систем UNIX;

Створити запис у файлі, що входить в операційну систему, про те, що потрібно драйвер і перезавантажити систему, під час початкового завантаження операційна система знайде потрібний драйверта завантажить його; так працює операційна система Windows;

Прийняти нові драйвери та оперативно їх встановити засобами операційної системи під час її роботи; спосіб використовується знімними шинами USB і IEEE 1394, які завжди потребують динамічно завантажуваних драйверів.

Для зв'язку з кожним контролером існують певні регістри. Наприклад, мінімальний контролер диска може мати регістри для визначення адреси на диску, адреси в пам'яті, номер сектора та напрямки операції (читання чи запис). Щоб активізувати контролер, драйвер отримує команду від операційної системи, потім транслює її величини, придатні для запису в регістри пристрою.

На деяких комп'ютерах регістри вводу-виводу відображаються в адресному просторі операційної системи, тому їх можна читати або записувати як звичайні слова в пам'яті. Адреси регістрів розміщуються в ОЗП за межами досяжності програм користувачів, щоб програми користувачів захистити від апаратури (наприклад, за допомогою базового та граничного регістрів).

На інших комп'ютерах регістри пристроїв розташовуються у спеціальних портах вводу-виводу, і кожен регістр має свою адресу порту. На таких машинах у привілейованому режимі доступні команди IN та OUT, які дозволяють драйверам зчитувати та записувати регістри. Перша схема усуває необхідність спеціальних команд введення-виведення, але використовує деяку кількість адресного простору. Друга схема не торкається адресного простору, але вимагає наявності спеціальних команд. Обидві схеми широко використовуються. Введення та виведення даних здійснюється трьома способами.

1.Програма користувача видає системний запит, який ядро ​​транслює у виклик процедури відповідного драйвера. Потім драйвер починає процес введення-виведення. У цей час драйвер виконує дуже короткий програмний цикл, постійно опитуючи готовність пристрою, з яким він працює (зазвичай є біт, який вказує на те, що пристрій все ще зайнято). Після завершення операції введення-виведення драйвер поміщає дані туди, куди потрібно, і повертається в вихідний стан. Потім операційна система повертає керування програмою, яка здійснювала виклик. Цей метод називається очікуванням готовності або активним очікуванням і має один недолік: процесор повинен опитувати пристрій, поки він не завершить свою роботу.

2.Драйвер запускає пристрій і просить його видати переривання після закінчення введення-виведення. Після цього драйвер повертає дані, операційна система блокує програму виклику, якщо це потрібно, і починає виконувати інші завдання. Коли контролер виявляє закінчення передачі, він генерує переривання, щоб сигналізувати про завершення операції. Механізм реалізації введення-виведення відбувається таким чином (рис.6.а):

Крок 1: драйвер передає команду контролеру, записуючи інформацію в регістри пристрою; контролер запускає пристрій введення-виводу.

Крок 2: після закінчення читання або запису контролер посилає сигнал мікросхемі контролера переривань.

Крок З: якщо контролер переривань готовий до прийому переривання, він подає сигнал на певний контакт центрального процесора.

Крок 4: контролер переривань виставляє номер пристрою введення-виведення на шину так, щоб центральний процесор міг прочитати його і дізнатися, який пристрій завершив роботу. При прийомі центральним процесором переривання вміст лічильника команд (PC) і слова стану процесора (PSW) поміщається в поточний стек, а процесор перемикається в привілейований режим роботи (режим роботи ядра операційної системи). Номер пристрою вводу-виводу може використовуватися як індекс частини пам'яті, який служить для пошуку адреси обробника переривань даного пристрою. Ця частина пам'яті називається вектором переривань. Коли обробник переривань (частина драйвера пристрою, що надіслав переривання) починає свою роботу, він видаляє розташовані в стеку лічильник команд і слово стану процесора, зберігає їх і запитує пристрій, щоб отримати інформацію про його стан. Після того як обробка переривання завершена, управління повертається до програми користувача, яка працювала до цього, до тієї команди, виконання якої ще не було закінчено (рис. 6 б).

3.Для введення-виведення інформації використовується контролер прямого доступу до пам'яті (DMA, Direct Memory Access), який управляє потоком бітів між оперативною пам'яттю та деякими контролерами без постійного втручання центрального процесора. Процесор викликає мікросхему DMA, каже їй, скільки байтів потрібно передати, повідомляє адреси пристрою та пам'яті, а також напрямок передачі даних і дозволяє мікросхемі діяти самій. Після завершення роботи DMA ініціює переривання, яке обробляється відповідним чином.

Переривання можуть відбуватися у невідповідні моменти, наприклад, під час обробки іншого переривання. З цієї причини центральний процесор має можливість забороняти переривання і дозволяти їх пізніше. Поки переривання заборонені, всі пристрої, які завершили роботу, продовжують надсилати свої сигнали, але робота процесора не переривається доти, доки переривання не буде дозволено. Якщо закінчують роботу відразу кілька пристроїв у той час, коли переривання заборонені, контролер переривань вирішує, яке з них має бути оброблено першим, зазвичай ґрунтуючись на статичних пріоритетах, призначених для кожного пристрою.

Обчислювальна система Pentium має вісім шин (шина кешу, локальна шина, шина пам'яті, PCI, SCSI, USB, IDE та ISA). Кожна шина має свою швидкість передачі даних та свої функції. В операційній системі для керування комп'ютером та його конфігурації повинні знаходитись відомості про всі шини.

Шина ISA (Industry Standard Architecture, промислова стандартна архітектура) - вперше з'явилася на комп'ютерах IBM PC/AT, працює на частоті 8,33 МГц і може передавати два байти за такт з максимальною швидкістю 16,67 Мбайт/с; вона включена в систему зворотної сумісності зі старими повільними платами вводу-вывода.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect, інтерфейс периферійних пристроїв) - створена компанією Intel як наступниця шини ISA, може працювати на частоті 66 МГц і передавати по 8 байт за такт зі швидкістю 528 Мбайт/с. В даний час шини PCIвикористовують більшість високошвидкісних пристроїв вводу-виводу, а також комп'ютери з процесорами, відмінними від Intel, так як з нею сумісно багато плат вводу-виводу.

Локальна шина в системі Pentium використовується для передачі центральним процесором даних мікросхемі PCI-моста, який звертається до пам'яті виділеної шини пам'яті, що часто працює на частоті 100 МГц.

Шина кешу використовуються для підключення зовнішнього кешу, оскільки системи Pentium мають кеш першого рівня (кеш L1), вбудований у процесор, і великий зовнішній кеш другого рівня (кеш L2).

Шина IDE служить для приєднання периферійних пристроїв: дисків та пристроїв для читання компакт-дисків. Шина є нащадком інтерфейсу контролера диска PC/AT, нині входить у стандартний комплект всіх систем, заснованих на процесорах Pentium.

Шина USB (Universal Serial Bus, Універсальна послідовна шина) призначена для приєднання до комп'ютера повільних пристроїв введення-виведення (клавіатури, миші). Вона використовує маленький чотирипровідний роз'єм, два дроти якого постачають електроживлення до USB-пристроїв.

Шина USB - це централізована шина, по якій головний пристрій кожну мілісекунду опитує пристрої вводу-виводу, щоб дізнатися, чи є дані. Вона може керувати завантаженням даних зі швидкістю 1,5 Мбайт/с. Всі пристрої USB використовують один драйвер, тому їх можна приєднувати до системи без її перезавантаження.

Шина SCSI (Small Computer System Interface, системний інтерфейс малих комп'ютерів) - високопродуктивна шина, що використовується для швидких дисків, сканерів та інших пристроїв, що потребують значної пропускної спроможності. Її продуктивність сягає 160 Мбайт/с. Шина SCSI використовується в системах Macintosh, популярна в UNIX-системах та інших системах на базі процесорів Intel.

Шина IEEE 1394 (FireWire) - є біт-послідовною шиною та підтримує пакетну передачу даних зі швидкістю, що досягає 50 Мбайт/с. Ця властивість дозволяє підключати портативні цифрові відеокамери та інші мультимедійні пристрої до комп'ютера. На відміну від шини USB шина IEEE 1394 немає центрального контролера.

Операційна система повинна вміти розпізнавати апаратні складові та вміти їх налаштовувати. Ця вимога призвела компанії Intelта Microsoft до розробки системи персонального комп'ютера, яка називається plug and play («включи і працюй»). До появи цієї системи кожна плата вводу-виводу мала фіксовані адреси регістрів введення-виводу та рівень запиту переривання. Наприклад, клавіатура використовувала переривання 1 та адреси в діапазоні від 0x60 до 0x64; контролер гнучкого диска використовував переривання 6 та адреси від 0x3F0 до 0x3F7; принтер користувався перериванням 7 та адресами від 0x378 до 0х37А.

Якщо користувач купував звукову картуі модем, траплялося, що ці пристрої випадково використовували одне й теж переривання. Виникав конфлікт, тому пристрої не могли працювати разом. Можливим рішеннямбуло вбудувати набір DIP-перемикачів (джамперів, jumper - перемичка) в кожну плату та налаштувати кожну плату таким чином, щоб адреси портів та номери переривань різних пристроїв не конфліктували один з одним.

Plug and play дозволяє операційній системі автоматично збирати інформацію про пристрої вводу-виводу, централізовано призначати рівні переривання та адреси вводу-виводу, а потім повідомляти кожній платі цю інформацію. Така система працює на комп'ютерах Pentium. Кожен комп'ютер з процесором Pentiumмістить материнську плату, де знаходиться програма - система BIOS (Basic Input Output System - базова система вводу-вывода). BIOS містить програми введення-виведення низького рівня, включаючи процедури: для читання з клавіатури, для виведення інформації на екран, для введення-виведення даних з диска та ін.

Під час початкового завантаження комп'ютера стартує система BIOS, яка перевіряє кількість встановленої в системі оперативної пам'яті, підключення та коректність роботи клавіатури та інших основних пристроїв. Далі BIOS перевіряє шини ISA та PCI та всі пристрої, приєднані до них. Деякі з цих пристроїв традиційні (створені до виходу стандарту plug and play). Вони мають фіксовані рівні переривання та адресу порту введення-виведення (наприклад, задані за допомогою перемикачів або перемичок на платі введення-виведення без можливості їх зміни операційною системою). Ці пристрої реєструються, далі проходять реєстрацію пристрою plug and play. Якщо присутні пристрої відрізняються від тих, що були під час останнього завантаження, то конфігурація нових пристроїв.

Потім BIOS визначає пристрій, з якого відбуватиметься завантаження, по черзі пробуючи кожне зі списку, що зберігається в пам'яті CMOS. Користувач може змінити цей список, увійшовши до конфігураційної програми BIOS відразу після завантаження. Зазвичай спочатку робиться спроба завантажитись з гнучкого диска. Якщо це не вдається, пробується компакт-диск. Якщо в комп'ютері відсутній гнучкий диск і компакт-диск, система завантажується з жорсткого диска. З завантажувального пристрою зчитується в пам'ять та виконується перший сектор. У цьому секторі знаходиться програма, яка перевіряє таблицю розділів наприкінці завантажувального сектора, щоб визначити, який із розділів є активним. Потім із того ж розділу читається вторинний завантажувач. Він зчитує з активного розділу операційну систему та запускає її.

Після цього операційна система опитує BIOS, щоб отримати інформацію про конфігурацію комп'ютера та перевіряє наявність драйвера для кожного пристрою. Якщо драйвер відсутній, операційна система просить користувача вставити гнучкий диск або компакт-диск, що містить драйвер (ці диски постачаються виробником пристрою). Якщо всі драйвери дома, операційна система завантажує в ядро. Потім вона ініціалізує таблиці драйверів, створює всі необхідні фонові процеси та запускає програму введення пароля або графічний інтерфейскожному терміналі.

5. Історія розвитку засобів обчислювальної техніки

Усі IBM-сумісні персональні комп'ютери укомплектовані Intel-сумісними процесорами. Історія розвитку мікропроцесорів сімейства Intel коротко така. Перший універсальний мікропроцесор фірми Intel з'явився в 1970 р. Він називався Intel 4004, був чотирирозрядним і мав можливість вводу/виводу та обробки чотирибітних слів. Швидкодія його становила 8000 операцій на секунду. Мікропроцесор Intel 4004 був розрахований на застосування в програмованих калькуляторах з пам'яттю розміром 4 Кбайт.

Через три роки фірма Intel випустила процесор 8080, який міг виконувати вже 16-бітові арифметичні операції, мав 1б-розрядну адресну шину і, отже, міг адресувати до 64 Кбайт пам'яті (25160 = 65536). 1978 ознаменувався випуском процесора 8086 з розміром слова в 16 біт (два байти), 20-розрядною шиною і міг оперувати вже з 1 Мбайт пам'яті (2 520 0 = 1048576, або 1024 Кбайт), розділеної на блоки (сегменти) кожен. Процесором 8086 комплектувалися комп'ютери, сумісні з IBM PC та IBM PC/XT. Наступним великим кроком у розробці нових мікропроцесорів став процесор 8028б, що з'явився в 1982 році. Він мав 24-розрядну адресну шину, міг розпоряджатися 16 мегабайтами адресного простору і ставився на комп'ютери, сумісні з IBM PC/AT. У жовтні 1985 року був випущений 80386DX з 32-розрядною шиною адреси (максимальний адресний простір - 4 Гбайт), а в червні 1988 року - 80386SX, більш дешевий порівняно з 80386DX і 24-розрядний. Потім у квітні 1989 з'являється мікропроцесор 80486DX, а в травні 1993 - перший варіант процесора Pentium (обидва з 32-розрядною шиною адреси).

У травні 1995 року у Москві на міжнародній виставці Комтек-95 фірма Intel представила новий процесор- P6.

Однією з найважливіших цілей, поставлених під час розробки P6, було подвоєння продуктивності проти процесором Pentium. При цьому виробництво перших версій P6 буде здійснюватися за вже налагодженою "Intel" і використовуваною під час виробництва останніх версій Pentium напівпровідникової технології (О,6 мкм, З, З).

Використання того самого процесу виробництва дає гарантію того, що масове виробництво P6 буде налагоджено без серйозних проблем. Водночас це означає, що подвоєння продуктивності досягається лише за рахунок всебічного покращення мікроархітектури процесора. p align="justify"> При розробці мікроархітектури P6 використовувалася ретельно продумана і налаштована комбінація різних архітектурних методів. Частина з них була раніше випробувана в процесорах "великих" комп'ютерів, частина запропонована академічними інститутами, розроблені інженерами фірми "Intel". Ця унікальна комбінація архітектурних особливостей, яку в "Intel" визначають словами "динамічний виконання", дозволила першим кристалам P6 перевершити рівень продуктивності, що спочатку планувався.

При порівнянні з альтернативними "Intel" процесорами сімейства х86 з'ясовується, що мікроархітектура Р6 має багато спільного з мікроархітектурою процесорів Nx586 фірми NexGen та K5 фірми AMD, і, хоча й меншою мірою, з M1 фірми "Cyrix". Ця спільність пояснюється тим, що інженери чотирьох компаній вирішували те саме завдання: використання елементів RISC-технології при збереженні сумісності з CISC-архітектурою Intel х86.

Два кристали в одному корпусі

Головна перевага та унікальна особливість Р6 - розміщенав одному корпусі з процесором вторинна статична кеш-пам'ять розміром 256 кб з'єднана з процесором спеціально виділеною шиною. Така конструкція має значно спростити проектування систем з урахуванням Р6. Р6 – перший призначений для масового виробництва мікропроцесор, що містить два чіпи в одному корпусі.

Кристал ЦПУ Р6 містить 5,5 мільйонів транзисторів; кристал кеш-пам'яті другого рівня – 15,5 мільйонів. Для порівняння, остання модель Pentium включала близько 3,3 мільйонів транзисторів, а кеш-пам'ять другого рівня реалізовувалася за допомогою зовнішнього набору кристалів пам'яті.

Така велика кількість транзисторів у кеші пояснюється його статичною природою. Статична пам'ять P6 використовує шість транзисторів для запам'ятовування одного біта, тоді як динамічної пам'яті було б достатньо одного транзистора на біт. Статична пам'ять швидша, але дорожча. Хоча число транзисторів на кристалі з вторинним кешем втричі більше, ніж на кристалі процесора, фізичні розміри кешу менше: 202 квадратні міліметри проти 306 у процесора. Обидва кристали разом укладені в керамічний корпус з 387 контактами (dual cavity pin-drid array). Обидва кристали виробляються із застосуванням однієї й тієї ж технології (0,6 мкм, 4-шарова метал-БІКМОП, 2,9 В). Можливе максимальне споживання енергії: 20 Вт при частоті 133 МГц.

Перша причина об'єднання процесора та вторинного кешу в одному корпусі – полегшення проектування та виробництва високопродуктивних систем на базі Р6. Продуктивність обчислювальної системи, побудованої на швидкому процесорі, дуже залежить від точної настройки мікросхем оточення процесора, зокрема вторинного кеша. Не всі фірми-виробники комп'ютерів можуть дозволити собі відповідні дослідження. У Р6 вторинний кеш налаштований на процесор оптимальним чином, що полегшує проектування материнської плати.

Друга причина об'єднання – підвищення продуктивності. Кзш другого рівня пов'язаний із процесором спеціально виділеною шиною шириною 64 біта і працює на тій же тактовій частоті, що і процесор.

Перші процесори Рentium з тактовою частотою 60 і 66 МГц зверталися до вторинного кешу по 64-розрядній шині з тактовою частотою. Однак із зростанням тактової частоти Pentium для проектувальників стало надто складно та дорого підтримувати таку частоту на материнській платі. Тому почали застосовувати дільники частоти. Наприклад, у 100 МГц Pentium зовнішня шина працює на частоті 66 МГц (90 МГц Pentium - відповідно 60 МГц). Pentium використовує цю шину як для звернень до вторинного кешу, так для звернення до основної пам'яті та інших пристроїв, наприклад набору чіпів PCI.

Використання спеціально виділеної шини для доступу до вторинного кешу покращує продуктивність обчислювальної системи. По-перше, при цьому досягається повна синхронізація швидкостей процесора та шини; по-друге, виключається конкуренція з іншими операціями введення-виведення та пов'язані з цим затримки. Шина кешу другого рівня повністю відокремлена від зовнішньої шини, через яку відбувається доступ до пам'яті та зовнішнім пристроям. 64-бітова зовнішня шина може працювати зі швидкістю, що дорівнює половині, однієї третьої або однієї четвертої від швидкості процесора, при цьому шина вторинного кешу працює незалежно на повній швидкості.

Об'єднання процесора та вторинного кешу в одному корпусі та їх зв'язок через виділену шину є кроком у напрямку до методів підвищення продуктивності, що використовуються у найбільш потужних RISC-процесорах. Так, у процесорі Alpha 21164 фірми Digital кеш другого рівня розміром 96 кб розміщений в ядрі процесора, як і первинний кеш. Це забезпечує дуже високу продуктивність кешу за рахунок збільшення числа транзисторів на кристалі до 9,3 мільйонів. Продуктивність Alpha 21164 складає 330 SPECint92 при тактовій частоті 300 МГц. Продуктивність Р6 нижче (за оцінками "Intel" - 200 SPECint92 при тактовій частоті 133 МГц), проте Р6 забезпечує найкраще співвідношення вартість/продуктивність для свого потенційного ринку.

Оцінюючи співвідношення вартість/продуктивність слід враховувати, що, хоча Р6 може бути дорожче своїх конкурентів, більшість інших процесорів має бути оточена додатковим набором чіпів пам'яті і контролером кеша. Крім того, для досягнення порівнянної продуктивності роботи з кешем інші процесори повинні будуть використовувати кеш більшого, ніж 256 кб розміру.

Intel, як правило, пропонує численні варіації своїх процесорів. Це робиться з метою задовольнити різноманітні вимоги проектувальників систем і залишити менше простору для моделей конкурентів. Тому можна припустити, що незабаром після початку випуску Р6 з'являться як модифікації зі збільшеним обсягом вторинної кеш-пам'яті, так і дешевші модифікації із зовнішнім розташуванням вторинного кешу, але при збереженій виділеній шині між вторинним кешом і процесором.

Pentium як точка відліку

Процесор Pentium зі своєю конвеєрною та суперскалярноюархітектурою досяг вражаючого рівня продуктивності. Pentium містить два 5-стадійні конвеєри, які можуть працювати паралельно і виконувати дві цілі команди за машинний такт. При цьому паралельно може виконуватися тільки пара команд, що йдуть у програмі один за одним і задовольняють певним правилам, наприклад відсутність регістрових залежностей типу "запис після читання".

P6 для збільшення пропускної здатності здійснений перехід до одного 12-стадійного конвеєру. Збільшення числа стадій призводить до зменшення виконуваної кожної стадії роботи і, як наслідок, зменшення часу знаходження команди кожної стадії на 33 відсотки проти Pentium. Це означає, що використання при виробництві P6 тієї ж технології, що при виробництві 100 МГц Pentium, призведе до отримання P6 з тактовою частотою 133 МГц.

Можливості суперскалярної архітектури Pentium, з її здатністю до виконання двох команд за такт, було б важко перевершити без нового підходу. Застосований у P6 новий підхід усуває жорстку залежність між традиційними фазами "вибірки" та "виконання", коли послідовність проходження команд через ці дві фази відповідає послідовності команд у програмі.

Новий підхід пов'язаний з використанням так званого пулу команд та з новими ефективними методамипередбачення майбутньої поведінки програми. При цьому традиційна фаза "виконання" замінюється на дві: "диспетчування/виконання" та "відкат". В результаті команди можуть починати виконуватися в довільному порядку, але завершують своє виконання завжди відповідно до їх вихідного порядку в програмі. Ядро P6 реалізовано як три незалежні пристрої, що взаємодіють через пул команд (рис. 1).

Основна проблема на шляху підвищення продуктивності

Рішення про організацію P6 як трьох незалежних та взаємодіючих через пул команд пристроїв було прийнято після ретельного аналізу факторів, що обмежують продуктивність сучасних мікропроцесорів. Фундаментальний факт, справедливий для Pentium та багатьох інших процесорів, у тому, що з виконанні реальних програм потужність процесора не використовується повною мірою.

У той час, як швидкість процесорів за останні 10 років зросла щонайменше в 10 разів, час доступу до основної пам'яті зменшився лише на 60 відсотків. Це збільшення відставання швидкості роботи з пам'яттю по відношенню до швидкості процесора і було тією фундаментальною проблемою, яку довелося вирішувати при проектуванні P6.

Один із можливих підходів до вирішення цієї проблеми - перенесення її центру тяжкості на розробку високопродуктивних компонентів, що оточують процесор. Однак масовий випуск систем, що включають високопродуктивний процесор, і високошвидкісні спеціалізовані мікросхеми оточення, був би занадто дорогим.

Можна було спробувати вирішити проблему з використанням грубої сили, а саме збільшити розмір кешу другого рівня, щоб зменшити відсоток випадків відсутності необхідних даних у кеші.

Це рішення ефективне, але теж надзвичайно дороге, особливо з огляду на сьогоднішні швидкісні вимоги до компонентів кешу другого рівня. P6 проектувався з точки зору ефективної реалізації цілісної обчислювальної системи, і вимагалося, щоб висока продуктивність системи в цілому досягалася з використанням дешевої підсистеми пам'яті.

Таким чином,реалізована в P6 комбінація таких архітектурних методів, як покращене передбачення переходів (майже завжди правильно визначається майбутня послідовність команд), аналіз потоків даних (визначається оптимальний порядок виконання команд) та випереджальне виконання (передбачена послідовність команд виконується без простоїв в оптимальному порядку), дозволила подвоїти продуктивність по відношенню до Pentium при використанні тієї ж технології виробництва. Ця комбінація методів називається динамічним виконанням.

В даний час Intel веде розробку нової 0,35 мкм технології виробництва, що дасть можливість випускати процесори P6 з тактовою частотою ядра понад 200 МГц.

Р6 як платформа для побудови потужних серверів

Серед найбільш значимихтенденцій розвитку комп'ютерів останніми роками можна назвати як усе зростаюче використання систем з урахуванням процесорів сімейства х86 як серверів додатків, і зростаючу роль " Intel " як постачальника непроцесорних технологій, як-от шини, мережеві технології, стиснення відео, флеш-пам'ять та засоби системного адміністрування.

Випуск процесора Р6 продовжує проведену "Intel" політику перенесення можливостей, якими раніше мали лише дорожчі комп'ютери, на масовий ринок. Для внутрішніх регістрів Р6 передбачений контроль парності, а з'єднує ядро ​​процесора і кеш другого рівня 64-бітова шина оснащена засобами виявлення та виправлення помилок. Вбудовані в Р6 нові можливості діагностики дозволяють виробникам проектувати надійніші системи. У Р6 передбачена можливість отримання через контакти процесора або за допомогою програмного забезпечення інформації про більш ніж 100 змінних процесора або події, що відбуваються в ньому, таких як відсутність даних в кеші, вміст регістрів, поява самодифікуючого коду і так далі. Операційна система та інші програми можуть зчитувати цю інформацію визначення стану процесора. У Р6 також реалізована покращена підтримка контрольних точок, тобто забезпечується можливість відкату комп'ютера в зафіксований стан у разі виникнення помилки.

Подібні документи

Кошти обчислювальної техніки з'явилися давно, оскільки потреба у різноманітних розрахунках існувала ще на зорі розвитку цивілізації. Бурхливий розвиток обчислювальної техніки. Створення перших ПК, міні-комп'ютерів, починаючи з 80-х років ХХ століття.

реферат, доданий 25.09.2008


Характеристика систем технічного та профілактичного обслуговування засобів обчислювальної техніки. Діагностичні програми операційних систем. Взаємозв'язок систем автоматизованого контролю. Захист комп'ютера від зовнішніх несприятливих впливів.

реферат, доданий 25.03.2015


Розробка інформаційно-аналітичної системи аналізу та оптимізації конфігурації обчислювальної техніки. Структура автоматизованого керування засобами обчислювальної техніки. Програмне забезпечення, обґрунтування економічної ефективності проекту.

дипломна робота , доданий 20.05.2013


Ручний етап розвитку обчислювальної техніки. Позиційна система числення. Розвиток механіки XVII столітті. Електромеханічний етап розвитку обчислювальної техніки Комп'ютери п'ятого покоління. Параметри та відмінні особливостісуперкомп'ютера.

курсова робота , доданий 18.04.2012


Пристрій та принцип роботи персонального комп'ютера (ПК). Діагностика працездатності ПК та визначення несправностей. Завдання технічне обслуговуваннязасобів обчислювальної техніки. Розробка методик підтримки техніки у працездатному стані.

курсова робота , доданий 13.07.2011


Вивчення зарубіжної, вітчизняної практики розвитку обчислювальної техніки, і навіть перспективи розвитку ЕОМ найближчим часом. Технології використання комп'ютерів. Етапи розвитку обчислювальної промисловості, у нашій країні. Злиття ПК та засобів зв'язку.

курсова робота , доданий 27.04.2013


Класифікація проектних процедур. Історія синтезу обчислювальної техніки та інженерного проектування. Функції систем автоматизованого проектування, їхнє програмне забезпечення. Особливості застосування тривимірних сканерів, маніпуляторів та принтерів.

реферат, доданий 25.12.2012


Автоматизація обробки даних. Інформатика та її практичні результати. Історія створення засобів цифрової обчислювальної техніки. Електромеханічні обчислювальні машини. Використання електронних лампта ЕОМ першого, третього та четвертого покоління.

дипломна робота , доданий 23.06.2009


Поняття та характеристика персонального комп'ютера, його основні частини та їх призначення. Засоби навчання інформатики та особливості організації роботи у кабінеті обчислювальної техніки. Обладнання робочих місць та застосування програмного забезпечення.

реферат, доданий 09.07.2012


Склад обчислювальної системи - конфігурація комп'ютера, його апаратні та програмні засоби. Пристрої та прилади, що утворюють апаратну конфігурацію персонального комп'ютера. Основна пам'ять, порти введення-виведення, адаптер периферійного пристрою.