Загальні стандарти сучасних комп’ютерів

Загальними стандартами структур сучасних комп’ютерів є:

· модульність побудови;

· магістральність;

· ієрархія керування.

Модульна побудова припускає виділення в структурі комп’ютера достатньо автономних, функціонально і конструктивно закінчених пристроїв, таких, як процесор, модуль пам'яті (МП), накопичувач на жорсткому або гнучкому магнітному диску.

Модульна конструкція комп’ютера робить його відкритою системою до адаптації і вдосконалення. До комп’ютера можна підключати додаткові пристрої, які покращують його технічні і економічні показники. З'являється можливість збільшити обчислювальну потужність, поліп­шити структуру шляхом заміни окремих пристроїв на більш досконаліші, внести зміни в керуванні конфігурацією системи, пристосувати її до конкретних умов відповідно до вимог користувачів.

У сучасних комп’ютерах принцип децентралізації і паралельної роботи поширений як на периферійні пристрої, так і на самі комп’ютери (процесори). Сучасні обчислювальні системи містять декілька процесорів, які працюють погоджено і паралельно. Усередині самого комп’ютера відбулося ще більш різке розділення функцій між засобами обробки, з'явилися окремі спеціалізовані процесори.

Всі існуючі типи комп’ютерів випускаються сімействами, в яких розрізняють старші і молодші моделі. Завжди є можливість заміни слабкої моделі на більш потужну. Це забезпечується інформаційною, апаратурною і програмною сумісністю. Програмна сумісність у сімействах встановлю­ється за принципом знизу-вгору, тобто програми, розроблені для ранніх і молодших моделей, можуть оброблятися і на старших, але, як правило, не навпаки.

Модульна структура комп’ютера вимагає стандартизації і уніфікації устаткування, номенклатури технічних і програмних засобів, засобів сполучення (інтерфейсів), конструктивних рішень, уніфікації типових елементів, заміни елементної бази і нормативно-технічної документації. Все це сприяє поліпшенню технічних і експлуатаційних характеристик комп’ю­терів, зростанню технологічності їх виробництва.

Децентралізація керування припускає ієрархічну організацію структури комп’ютера. Централізоване керування здійснює пристрій керування головного, або центрального, процесора. Модулі, що підключаються до центрального процесора, можуть, у свою чергу, використовувати спеціальні шини або магістралі для обміну сигналами керування, адресами і даними. Ініціалізація роботи модулів забезпечується командами центральних пристроїв, після чого модулі продовжують роботу за власними програмами керування. Результати виконання необхідних операцій подаються ними “вгору за ієрархією” для правильної координації всіх робіт.

Ієрархічний принцип побудови і керування характерний не тільки для структури комп’ютерів в цілому, але і для окремих їх підсистем. Наприклад, за цим же принципом будується система пам'яті комп’ютерів.

Децентралізація керування і структури комп’ютерів дозволила перейти до більш складних багатопрограмних (мультипрограмних) режимів. При цьому в комп’ютері одночасно можуть оброблятися декілька програм користувачів.

У комп’ютерах, які мають один процесор, багатопрограмна обробка є уявною. Вона припускає паралельну роботу окремих пристроїв, які задіяні в обчисленнях у різних задачах користувачів. Наприклад, комп'ютер може здійснювати роздрук яких-небудь документів і одночасно приймати повідомлення, які надходять по каналах зв'язку. Процесор при цьому може проводити обробку даних за іншою програмою, а користувач – вводити дані або програму для нової задачі, слухати музику і т.п.

У комп’ютерах або обчислювальних системах, що мають декілька процесорів, багатопрограмна робота може бути більш глибокою. Автоматичне керування обчисленнями припускає ускладнення структури за рахунок включення в її склад систем і блоків (системи переривань і пріоритетів, захисту пам'яті), які відокремлюють різні обчислювальні процеси один від одного, що виключає можливість виникнення взаємних перешкод і помилок. Самостійного значення в обчисленнях вони не мають, але є необхідним елементом структури для забезпечення цих обчислень.

Структурна схема комп’ютерів

Сучасна обчислювальна система – це сукупність апаратних і програмних засобів, які забезпечують автоматизацію збору, зберігання, обробки, систематизації, перетворення і передачі інформації.

Структуру обчислювальної системи складають апаратне і програмне забезпечення.

Апаратне забезпечення – це устаткування, що входить до складу комп'ютера.

Програмне забезпечення – це сукупність усіх програм і документації до них.

Зовнішня архітектура комп'ютера – це пристрої, які видимі для користувача. Стандартна зовнішня архітектура комп'ютера – це системний блок і периферійне устаткування (монітор, клавіатура, миша). Крім того, до комп'ютера можуть бути підключені мережне устаткування, принтер, сканер та ін.

Внутрішня архітектура – це пристрої, що забезпечують процес накопичення, обробки, зберігання і передачі інформації всередині комп’ютера. Більшість з них розташована в системному блоці.

Системна магістраль, або шина даних – це провідники, що зв'язують між собою всі пристрої комп'ютера. По магістралі передаються сигнали керування і дані.

Ядро комп’ютера стяновлять процесор і основна пам'ять (ОП).

Основними складовими процесора є пристрій керування і арифметико-логічний пристрій.

Пристрій керування (ПК) призначений для забезпечення автома­тичного виконання програм шляхом примусової координації решти пристроїв комп’ютера. Команди, що вибираються з ОП, дешифруються пристроєм керування: визначаються код операції, яку необхідно виконати, і адреси даних, що беруть участь у даній операції.

Усі команди програми виконуються послідовно, команда за командою, в тому порядку, наприклад, як вони записані в пам'яті комп’ютера. Цей порядок характерний для лінійних програм, тобто програм, що не містять розгалужень. Для організації розгалужень використовуються команди, що порушують лінійний порядок виконання команд. Окремі ознаки результатів r (r = 0, r < 0, r > 0 і ін.) пристрій керування використовує для зміни порядку виконання команд програми.

Арифметико‑логічний пристрій (АЛП) виконує арифметичні і логічні операції над даними. Основною частиною АЛП є операційний автомат, до складу якого входять суматори, лічильники, регістри, логічні перетворювачі та ін. Він кожного разу переналагоджується на виконання чергової операції. Результати виконання окремих операцій зберігаються для подальшого використання, зокрема, записуються в пам'ять. Результати, отримані після виконання всієї програми обчислень, передаються на пристрої виведення інформації. Як пристрій виведення можуть використовуватися екран дисплея, принтер, графічний пристрій та ін.

Сучасні комп’ютери мають достатньо розвинуті системи машинних операцій. Будь-яка операція в комп’ютері виконується за певною мікро­програмою, яка реалізована в схемах АЛП відповідною послідовністю сигналів керування (мікрокоманд). Кожна окрема мікрокоманда – це найпростіше елементарне перетворення даних типу складання, зсуву, перезапису інформації і т.п.

Основна пам'ять ділиться на внутрішню і зовнішню.

Зовнішня пам'ять призначена для постійного зберігання інформації:

· гнучкі диски (дискети 3,5 дюйма і об'ємом 1,44 Мб);

· жорсткі диски (вінчестери об'ємом 80 – 400 Гб);

· оптичні диски: DVD-диски (об'ємом 4,7 Гб – 17 Гб); CD-диски (CD ROM – диски для читання, CD RW – диски для читання і запису об'ємом 650 – 700 Мб);

· флеш‑пам'ять (об'ємом 1 – 8 Гб).

Внутрішня пам'ять призначена для тимчасового зберігання інформації:

· оперативна пам'ять (ОЗП, RAM, об'єм: 256 Мб – 2 Гб);

· постійна пам'ять (ПЗП, ROM, BIOS, об'єм 2 Мб);

· пам'ять пристроїв (відеопам'ять монітора об'ємом 256 Мб – 1 Гб, клавіатури об'ємом 8 Кб, буферна пам'ять принтерів об'ємом 8–128 Кб).

Процесор може звертатися тільки до тієї інформації, яка зберігається у внутрішній пам'яті. При відключенні живлення інформація, яка зберігалася у внутрішній пам'яті (окрім в ПЗП), стирається.

ОЗП є основним типом внутрішньої пам'яті. Продуктивність комп'ютера напряму залежить від об'єму ОЗП і швидкості доступу до елементів пам'яті.

ПЗП призначається для зберігання системних програм і даних, пов'язаних з життєзабезпеченням комп'ютерів

Зовнішні пристрої призначені в основному для введення-виведення інформації. За допомогою клавіатури користувачі вводять у комп’ютер програми задач, які розв’язуються, та дані до них. Уведена інформація повністю або частково спочатку запам'ятовується в оперативному пристрої (ОЗП), а потім переноситься в зовнішню пам’ять для тривалого зберігання інформації, де перетвориться в спеціальний програмний об'єкт – файл.

Файл – ідентифікована сукупність екземплярів повністю описаного в конкретній програмі типу даних, що знаходяться поза програмою в зовнішній пам'яті та доступні програмі за допомогою спеціальних операцій.

При використовуванні файла в обчислювальному процесі його вміст переноситься в ОЗП, а потім обробляється процесором.

Шинний інтерфейс

З'єднання всіх пристроїв в єдину машину забезпечується за допомогою загальної шини, лінії передачі даних, адрес, сигналів керування і живлення. Єдина система апаратних з'єднань значно спростила структуру, зробивши її ще більш децентралізованою. Всі передачі даних по шині здійснюються під керуванням сервісних програм.

Взаємодія МП із зовнішніми пристроями передбачає виконання логічної послідовності дій, пов'язаних з пошуком пристрою, визначенням його технічного стану, обміном командами і інформацією. Ця логічна послідовність дій разом з пристроями, що реалізують її, отримала назву інтерфейс введення-виведення.

Для різних пристроїв потрібні різні логічні послідовності дій, тому в одному комп’ютері може використовуватись декілька інтерфейсів введення-виведення. Якщо їх вдається звести до одного, універсального, то такий інтерфейс називається стандартним. В IBM PC є два стандартні інтерфейси для зв'язку центрального процесора із зовнішніми пристроями – шина ISA ташина PCI.

Шина ISA(Industry Standard Architecture) використовувалась у перших моделях комп’ютерів.

Шина PCI (Peripheral Component Interfase eXtended) широко використовується в сучасних комп’ютерах. Її тактова частота дорівнює 133 МГц, пікова пропускна спроможність 1066 Мбт/с.

У сучасних комп'ютерах широкого розповсюдження набули шини USB(до 480 Mбт/с), шина IEEE 1394 (FireWire – вогнедріт,до 3,3 Гбт/с).

Інтерфейси постійно удосконалюються, тому з появою нових комп’ютерів, нових зовнішніх пристроїв і навіть нового програмного забезпечення з'являються і нові інтерфейси. Так, у програмному забезпеченні, розробленому провідними фірмами, використовується технологія Plug and Play (ввімкни – і грай), яка призначена для полегшення системного налагодження комп’ютера при підключенні нових пристроїв. Технологія дозволяє підключити за допомогою кабелю новий пристрій. Після ввімкнення комп’ютера його програмне забезпечення автоматично визначає склад підключених пристроїв і їх типи та налагоджує комп’ютер на роботу з ними без втручання системного оператора.

Підключення до комп’ютера зовнішніх пристроїв (монітора, мишки, клавіатури, принтера, модему і т.п.) виконується через спеціальні інтерфейси, тобто пристрої сполучення. Ці інтерфейси називаються також портами введеня-виведення. Відповідний рознім для підключення розташовується на задній або передній стінці системного блока.

Існують послідовні і паралельні порти, які розрізняються за способом передачі даних. Для послідовного порту характерна послідовна в часі передача даних (біт за бітом), а для паралельного – одночасна передача декількох бітів (порцій по 8 бітів, тобто по одному байту).

Через послідовні порти (типу RS 232С) до системного блока підключаються миша, джойстик, модем і інші периферійні пристрої. Позначається послідовний порт як COM (Cоmmunication роrt). Якщо в комп'ютері є декілька послідовних портів, то вони мають імена від СОM1 до COM4 (рис. 9.3).

Паралельні порти (Centronic, IRPR-інтерфейс радіальний паралельний) в IBM-сумісному комп'ютері служать звичайно для підключення принтера. Тому цей порт називають також принтер-портом і позначають як LPT (Line PrinTer – лінія принтера). Паралельний порт може використовуватися для підключення сканера і плотера, для організації обміну інформацією між двома комп'ютерами (рис. 9.4).

USB порт (рис. 9.5) може працювати як послідовний, так і паралельний порт.

Послідовні порти мають роз'єднання у вигляді штирів,а паралельні – у вигляді гнізд.