Архитектура персонального компьютера

Барсков Альберт Сергеевич (мо-609/1)

Дисциплина «Информатика» Экзаменационный билет №16

1. Архитектура ПК. Постоянная память ROM (Read Only Memory).

Оперативная память RAM (Random Access Memory).

2. Информатика как техническая наука. Предмет информатики, задачи и цели

3. Вычислить таблицу значений:

U= arcsin(a²), если ab<0

U= cos(a+b)-0.3, если 0<ab<1

U= b²+cos(ab/5), если ab>1

при -3<а<3, h_a=0.8, -2<b<2, h_b=1.2

Архитектура компьютера

1) Архитектура компьютера -- логическая организация и структура аппаратных и программных ресурсов вычислительной системы. Архитектура заключает в себе требован Архитектура персонального компьютера -- компоновка его основных частей, таких как процессор, ОЗУ, видеоподсистема, дисковая система, периферийные устройства и устройства ввода-вывода, функциональности и принципы организации основных узлов ЭВМ.

Архитектура современного персонального компьютера определяется схемой его чипсета, которую можно найти на сайтах производителей -- Intel и AMD.

Раньше компьютер имел до 2-х сотен микросхем на материнской плате. Современные компьютеры содержат две основные большие микросхемы чипсета:

· контроллер-концентратор памяти (MCH) или северный мост (англ. North Bridge), который обеспечивает работу процессора с памятью и с видеоподсистемой;

· контроллер-концентратор ввода-вывода (ICH) или южный мост (англ. South Bridge), обеспечивающий работу с внешними устройствами.

Выбор типа чипсета зависит от процессора, с которым он работает, и определяет разновидности внешних устройств (видеокарты, винчестера и др.).

В характеристиках каждого процессора можно найти, с какими чипсетами он может работать.

Например, для процессоров Core 2 Duo рекомендуется использовать чипсет Intel® P965 Express и материнские платы, созданные на его основе.

В настоящее время наибольшее распространение в ЭВМ получили 2 типа архитектуры: принстонская (фон Неймана) и гарвардская. Обе они выделяют 2 основных узла ЭВМ: центральный процессор и память компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных.

В более подробное описание, определяющее конкретную архитектуру, также входят: структурная схема ЭВМ, средства и способы доступа к элементам этой структурной схемы, организация и разрядность интерфейсов ЭВМ, набор и доступность регистров, организация памяти и способы её адресации, набор и формат машинных команд процессора, способы представления и форматы данных, правила обработки прерываний.

По перечисленным признакам и их сочетаниям среди архитектур выделяют:

· По разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-разрядные (ряд ЭВМ имеет и иные разрядности);

· По особенностям набора регистров, формата команд и данных: CISC, RISC, VLIW;

· По количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные;

o многопроцессорные по принципу взаимодействия с памятью: симметричные многопроцессорные (SMP), масcивно-параллельные (MPP), распределенные.

Оперативная память RAM (Random Access Memory)

Память RAM - это массив кристаллических ячеек, способных сохранять данные. Она используется для оперативного обмена информацией (командами и данными) между процессором, внешней памятью и периферийными системами. Из нее процессор берет программы и данные для обработки, в нее записываются полученные результаты. Название "оперативная" происходит от того, что она работает очень быстро и процессору не нужно ждать при считывании данных из памяти или записи. Однако, данные сохраняются лишь временно при включенном компьютере, иначе они исчезают.

Оперативная память, или оперативка - это один из главных элементов компьютера. «Оперативная» память потому, что очень быстро работает и позволяет процессору практически без какого-либо заметного ожидания читать информацию из памяти. Содержащиеся в оперативной памяти данные сохранены и доступны только тогда, когда компьютер включен. При выключении компьютера содержимое стирается из оперативной памяти, поэтому перед выключением компа все данные нужно сохранить. От объема оперативной памяти (кстати, еще ее называют ОЗУ - оперативное запоминающее устройство) зависит количество задач, которые одновременно может выполнять компьютер. Оперативная память - это рабочая область для процессора компьютера. В ней во время работы хранятся программы и данные. Оперативная память часто рассматривается как временное хранилище, потому что данные и программы в ней сохраняются только при включенном компьютере или до нажатия кнопки сброса (reset). Перед выключением или нажатием кнопки сброса все данные, подвергнутые изменениям во время работы, необходимо сохранить на запоминающем устройстве, которое может хранить информацию постоянно (обычно это жесткий диск). При новом включении питания сохраненная информация вновь может быть загружена в память.

По физическому принципу действия различают динамическую память DRAM и статическую память SRAM. Ячейки динамической памяти можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать электрический заряд. Недостатки памяти DRAM: медленнее происходит запись и чтение данных, требует постоянной подзарядки. Преимущества: простота реализации и низкая стоимость.

Ячейки статической памяти можно представить как электронные микроэлементы - триггеры, состоящие из транзисторов. В триггере сохраняется не заряд, а состояние (включенный/выключенный). Преимущества памяти SRAM: значительно большее быстродействие. Недостатки: технологически более сложный процесс изготовления, и соответственно, большая стоимость.

Микросхемы динамической памяти используются как основная оперативная память, а микросхемы статической - для кэш-памяти.

Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, выраженный числом. В современных ПК на базе процессоров Intel Pentuim используется 32-разрядная адресация. Это означает, что всего независимых адресов есть 232, то есть возможное адресное пространство составляет 4,3 Гбайт. Однако, это еще не означает, что именно столько оперативной памяти может быть в системе. Предельный размер объема памяти определяется чипсетом материнской платы и обычно составляет несколько сотен мегабайт.

Оперативная память в компьютере размещена на стандартных панельках, которые называются модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате. Конструктивно модули памяти имеют два выполнения - однорядные (SIMM - модули) и двурядные (DIMM - модули). На компьютерах с процессорами Pentium однорядные модули можно применять лишь парами (количество разъемов для их установления на материнской плате всегда четное). DIMM - модули можно устанавливать по одному. Комбинировать на одной плате разные модули нельзя.

Основные характеристики модулей оперативной памяти:

SIMM - модули имеют объем 4, 8, 16, 32, 64 мегабайт; DIMM - модули - 16, 32, 64, 128, 256, 512,1024 Мбайт. Время доступа показывает, сколько времени необходимо для обращения к ячейкам памяти, чем меньше, тем лучше. Измеряется в наносекундах. SIMM - модули - 50-70 нс., DIMM - модули - 7-10 нс.

Постоянная память ROM (Read Only Memory)

В момент включения компьютера в его оперативной памяти отсутствуют любые данные, поскольку оперативная память не может сохранять данные при отключенном компьютере. Но процессору необходимы команды, в том числе и сразу после включения. Поэтому процессор обращается по специальному стартовому адресу, который ему всегда известен, за своей первой командой. Этот адрес указывает на память, которую принято называть постоянной памятью ROM или постоянным запоминающим устройством (ПЗУ). Микросхема ПЗУ способна продолжительное время сохранять информацию, даже при отключенном компьютере. Говорят, что программы, которые находятся в ПЗУ, "зашиты" в ней - они записываются туда на этапе изготовления микросхемы. Комплект программ, находящийся в ПЗУ образовывает базовую систему ввода/вывода BIOS (Basic Input Output System). Основной код BIOS содержится в микросхеме ROM на системной плате, но на платах адаптеров также имеются аналогичные микросхемы. Они содержат вспомогательные подпрограммы базовой системы ввода-вывода и драйверы, необходимые для конкретной платы, особенно для тех плат, которые должны быть активизированы на раннем этапе начальной загрузки, например видеоадаптер. Платы, не нуждающиеся в драйверах на раннем этапе начальной загрузки, обычно не имеют ROM, потому что их драйверы могут быть загружены с жесткого диска позже -- в процессе начальной загрузки.

Основное назначение этих программ состоит в том, чтобы проверить состав и трудоспособность системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жесткими и гибкими дисками.

В памяти типа ROM (Read Only Memory), или ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), данные можно только хранить, изменять их нельзя. Именно поэтому такая память используется только для чтения данных. ROM также часто называется энергонезависимой памятью, потому что любые данные, записанные в нее, сохраняются при выключении питания. Поэтому в ROM помещаются команды запуска ПК, т.е. программное обеспечение, которое загружает систему. ROM и оперативная память - не противоположные понятия. На самом деле ROM представляет собой часть оперативной памяти системы. Другими словами, часть адресного пространства оперативной памяти отводится для ROM. Это необходимо для хранения программного обеспечения, которое позволяет загрузить операционную систему.

В связи с этим при выборе типа устанавливаемой памяти следует все хорошо обдумать и просчитать, чтобы минимизировать затраты на будущую модернизацию (или ремонт).

В настоящее время в большинстве систем используется одна из форм Flash-памяти, которая называется электронно-перепрограммируемой постоянной памятью (Electrically Erasable Programmable Read-only Memory -- EEPROM). Flash-память является по-настоящему энергонезависимой и перезаписываемой, она позволяет пользователям легко модифицировать ROM, программно-аппаратные средства системных плат и других компонентов (таких, как видеоадаптеры, платы SCSI, периферии

2. Информатика как техническая наука

Следующий этап переосмысления содержания предмета информатики следует отнести к периоду 1978-1983 годов. Он был связан со стремительным развитием вычислительной техники и электроники и началом их все более широкого распространения не только в научной и оборонной сферах, но также в промышленности, экономике, в сфере административного управления и финансовой деятельности. Знаковыми для развития информационной сферы деятельности в этот период явились три основных события:

· Международный конгресс по информатике в Японии, который состоялся в 1978 году и дал новое, более широкое определение содержания термина «Информатика»;

· Объявление Японией национального проекта создания и использования ЭВМ пятого поколения, которое было воспринято мировым сообществом как технологический вызов и в значительной степени способствовало изменению взглядов на роль информатики в дальнейшем развитии общества;

· Создание в 1983 году в Академии наук СССР Отделения информатики, вычислительной техники и информатизации, на которое было возложено научное руководство работами в этой сфере деятельности как в нашей стране, так и в странах СЭВ.

В этот период развития информатики на первый план выдвинулись ее инструментально-технологические аспекты, в то время как философские и социально-экономические аспекты этой науки еще находились в начальной стадии разработки.

Свидетельством этого может служить определение информатики, которое было выработано на указанном выше Международном конгрессе по информатике в Японии. Звучит оно следующим образом:

«Понятие информатики охватывает области, связанные с разработкой, созданием, использованием и материально-техническим обслуживанием систем обработки информации, включая машины, оборудование, математическое обеспечение, организационные аспекты, а также комплекс промышленного, коммерческого, административного, социального и политического воздействия».

Из приведенного определения видно, что, несмотря на явное доминирование в нем инструментально-технологических аспектов, уже тогда, около 30 лет тому назад, все же указывалось также и на социально-экономические, и на политические аспекты развития информатики. И, как показала история, этот прогноз оказался правильным.

Предметом информатики является:

· аппаратное обеспечение средств вычислительной техники;

· программное обеспечение средств вычислительной техники;

· средства взаимодействия аппаратного и программного обеспечения;

· средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами.

Как наука информатика имеет одну главную цель - применение ВМ для поиска нового знания. Собственной целью информатики является знание о знании, структуре знания, способах представления различных видов знаний, обоснованности и правилах применения знаний. Точнее цель может быть сформулирована так: исследование технологий поиска нового знания с помощью ВМ в любой сфере деятельности человека. Наиболее точно цели информатики сформулированы в самом ее определении. Цель информатики, согласно определению, состоит в описании, осмыслении, определении, представлении, обобщении и применении знаний для поиска нового знания.

Задачи информатики состоят в следующем:

· исследование информационных процессов любой природы;

· разработка информационной техники и создание новейшей технологии переработки информации на базе полученных результатов исследования информационных процессов;

· решение научных и инженерных проблем создания, внедрения и обеспечения эффективного использования компьютерной техники и технологии во всех сферах общественной жизни.