Как работает компьютер и его комплектующие. Рассмотрим принцип работы персонального компьютера По какому принципу работает компьютер

Устройство вывода

Оперативное

запоминающее

устройство

Арифметико-логическое

устройство

Рисунок 1.1 Упрощенная структура компьютера

Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций над машинными словами, т.е. кодами, находящимися в памяти и поступающими в АЛУ для обработки. Кроме того, оно выполняет различные операции по управлению вычислениями.

Оперативная память, или оперативное запоминающее устройство хранит коды машинных слов (команд и данных) в своих «ячейках». Эти ячейки нумеруются, а номер ячейки называют адресом . [В памяти компьютера, как правило, находятся только команды и данные.] Машина использует хранимую в ОЗУ информацию для организации вычислительного процесса. Информация попадает в ОЗУ из устройства ввода или из внешней памяти (на рисунке не показана). Внешняя память позволяет хранить большие объемы информации, но обладает меньшим быстродействием по сравнению с ОЗУ. В течение всего процесса обработки информация поступает в АЛУ только из ОЗУ, а результаты выполнения программы выдаются на устройство вывода только после окончания обработки. Точно также, информация из внешней памяти (ВЗУ) прежде, чем принять участие в обработке, должна предварительно быть переписана в ОЗУ.

Устройство управления (УУ) служит для автоматического управления вычислительным процессом; оно формирует сигналы управления на все устройства компьютера, преобразуя команды программы в управляющие сигналы. Как уже отмечалось, если узел управления совмещен с АЛУ, то такое объединенное устройство часто называют центральным процессором (ЦП или просто процессором). Он связан с основной памятью (ОП), состоящей из ОЗУ и постоянной памяти, предназначенной для хранения программ ввода/вывода, и различными устройствами ввода и вывода (или периферийными устройствами) посредством шины (называемой часто «общей шиной», или ОШ), см. рисунок 1.2. Такая общая шина состоит из нескольких «подшин»: адреса, данных и управления. Мы часто будем их называть просто шинами. Причем в персональных машинах для экономии места на системной плате (т.е. плате, на которой расположен процессор, память и разъемы для подключения периферийных устройств) шины адреса и данных иногда выполняют в виде одной разделяемой во времени шины; тогда адрес и данные по ней передаются только поочередно.

Рисунок 1.2 Центральная часть машины

Помимо ЦП и ОП, компьютер содержит множество других устройств, предназначенных для связи с внешним миром (человеком, объектами управления и т.п.). Как уже указывалось, эти устройства называются периферийными (или внешними) и подключаются к ОШ с помощью контроллеров, адаптеров, шинных мостов и т.п.

В персональном компьютере (а в последнее время и в компьютерах других типов) основная память состоит из двух частей – постоянной (ПЗУ) и оперативной (ОЗУ). В очень небольшой по современным понятиям [она достигает нескольких мегабайт] постоянной памяти хранится программа начальной загрузки, называемая BIOS (Basic Input-Output System). Эта информация «зашита» в памяти, т.е. хранится постоянно. Оперативная память в момент включения компьютера не содержит никакой информации. При его включении на все блоки подается сигнал установки в исходное «нулевое» состояние; затем начинают формироваться тактовые импульсы, и компьютер начинает работать.

Чтобы понять, как работает компьютер, нужно знать из каких элементов он состоит, т.е. что такое триггер, счетчик, регистр, логическая схема и т.п. Подробнее о работе всех этих компонентов можно узнать из последующих разделов книги. Здесь же дадим только основное представление об этих компонентах. Триггер представляет собой электронную схему, которая может находиться в одном из двух устойчивых состояний «0» и «1». Внешними сигналами можно переводить триггер из одного состояния в другое. Регистр – это несколько определенным образом соединенных триггеров, т.е. можно записать двоичное слово в регистр, прочитать его, сдвинуть, инвертировать. Счетчик позволяет определить число поступивших на него сигналов. Он строится также на основе триггеров. Логическая схема реализует определенную логическую функцию, т.е. формирует выходной сигнал при определенных комбинациях сигналов на ее входах.

Теперь продолжим рассмотрение работы простейшего компьютера. Содержимое счетчика команд (СчК; его называют также IP – instruction pointer) процессора передается по адресной шине на регистр адреса (РгА) основной памяти (рисунок 1.3). В момент включения компьютера в счетчике команд всегда находится один и тот же начальный адрес. Таким образом, запрашивается содержимое ячейки памяти с этим начальным адресом, принадлежащим BIOS. Как правило, эта ячейка содержит код команды безусловного перехода, служащей для изменения содержимого счетчика команд. Содержимое ячейки, т.е. код этой команды передается на регистр команд (РгК) процессора по шине данных ОШ. Содержимое ячейки памяти поступает на РгК, поскольку «запрос» к памяти произведен из счетчика команд ; это обязательное требование для любого компьютера традиционной архитектуры.

Регистр РгК процессора в свою очередь состоит из нескольких регистров – регистра кода операции (РгКОП) и регистров адресов процессора (РгАП). Часть слова (содержимого ячейки ОП, к которой произведено обращение), попавшая в регистр кода операции, передается в блок управления (БУ), вырабатывающий последовательность управляющих сигналов.

Когда выполняется команда безусловного перехода, вторая «адресная» часть слова, попавшая в один из регистров адреса процессора, под управлением сигналов с БУ передается вновь на счетчик команд. Эта команда одноадресная – т.е. ее «адресная» часть содержит только один адрес. На этом и завершается ее выполнение. БУ формирует сигнал об окончании выполнения команды, а содержимое СчК вновь передается на РгА памяти, т.е. происходит запрос следующей команды.

Р

РгКОП РгАП

Рисунок 1.3 Передача команд из ОП в ЦП

Таким образом, процедура обращения к памяти повторяется. Содержимое ячейки памяти, к которой произведено повторное обращение, рассматривается в качестве новой команды, т.е. вновь загружается на РгК процессора. Обычно вторая команда служит для начала загрузки ОЗУ с магнитного диска; она уже не является командой безусловного перехода. При выполнении этой команды под управлением кода операции (часть команды, попавшая на РгКОП) вырабатываются иные управляющие сигналы, а содержимое первого регистра РгАП, представляющего собой часть РгК, передается на адресный регистр памяти и рассматривается в качестве адреса первого операнда.

Для ОЗУ безразлично, откуда пришел запрос – из счетчика команд или из адресного регистра, поэтому в регистре данных памяти слово формируется так же, как и раньше. Однако, поскольку «запрос» этого слова поступил из адресного регистра РгАП, то в процессоре оно помещается на первый регистр данных арифметического устройства (АЛУ). Затем блок управления формирует аналогичные сигналы для передачи на РгА памяти содержимого второго РгАП; в результате содержимое ячейки памяти с адресом, находящимся в РгАП, поступает на второй регистр данных арифметического устройства.

Затем блок управления вырабатывает сигналы в зависимости от кода операции в РгКОП, подает их на АЛУ, которое выполняет соответствующую операцию, а ее результат помещает в выходной регистр-аккумулятор. После этого содержимое регистра-аккумулятора передается в ячейку памяти, адрес которой обычно находится в первом РгАП, т.е. выполняется еще одно обращение к ОП. Содержимое регистра-аккумулятора передается на шину данных, а адрес ячейки из РгАП – на адресную шину. [В зависимости от конструкции машины, числа адресов в выполняемой команде (адресности) и ряда других особенностей, содержимое регистра-аккумулятора может сохраняться в нем, передаваться в ячейку ОП по адресу, находящемуся в первом или втором РгАП.]

После сохранения содержимого регистра-аккумулятора к счетчику команд СчК добавляется длина текущей команды в байтах (часто говорят «единица»), чтобы обратиться к следующей ячейке памяти, и начинается новый цикл выполнения очередной команды.

Таким образом, выполнение программы происходит последовательно: каждый раз в машине реализуется лишь одна команда, попадающая в регистр команд из ОП. Но чтобы увеличить производительность компьютера, нужно либо повысить скорость выполнения команды, либо выполнять несколько последовательных команд одновременно. Повышение скорости выполнения команды связано с улучшением технических характеристик и увеличением быстродействия всех компонентов, входящих в компьютер – ЦП, ОП, шин интерфейсов, устройств ввода-вывода. Но увеличение скорости выполнения команды принципиально ограничено – скорость распространения сигналов в машине не может быть больше скорости света, а длина пути определяется числом вентилей и применяемой технологией. Второй путь, заключающийся в параллельном выполнении нескольких команд, наиболее перспективен. Однако и он обладает рядом ограничений, которые мы рассмотрим ниже.

Один из выдающихся математиков нашего столетия Джон фон Нейман разработал принципы построения логической системы вычислительной машины, способной использовать гибкую запоминаемую программу, которую можно было бы изменять, не перестраивая всей схемы машины. В соответствии спринципами фон Неймана для работы компьютера необходимы следующие устройства:

1) арифметическо-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции (АЛУ);

2) устройство управления, которое организует процесс выполнения программ (УУ);

3) запоминающее устройство, или память, для хранения программ и данных (ЗУ);

4) внешние устройства для ввода-вывода информации(УВВ);

5) пульт управления (ПУ).

Память компьютера должна состоять из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легкодоступны для других устройств компьютера (рис. 18).

В общих чертах работу компьютера можно описать так. Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа. Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических или логических операций, чтение из памяти данных для этих операций или запись их результатов в память, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство.

Как правило, после выполнения одной команды устройство управления начинает выполнять команду из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему следует продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в некоторой другой ячейке памяти. Такой «скачок», или переход, в программе может выполняться не всегда, а только при выполнении некоторых условий, например, если некоторые числа равны, если в результате предыдущей арифметической операции получился нуль и т. д. Это позволяет использовать одни и те же последовательности команд в программе много раз (организовывать циклы), выполнять различные последовательности команд в зависимости от определенных условий и т.д., т. е. создавать сложные программы.

Таким образом, управляющее устройство выполняет инструкции программы автоматически, без вмешательства человека. Оно может обмениваться информацией с оперативной памятью и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, управляющее устройство может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода-вывода с внешним устройством. Все результаты выполненной программы должны быть ею выведены на внешние устройства компьютера, после чего компьютер переходит к ожиданию каких-либо сигналов внешних устройств.

Следует заметить, что схема устройства современных компьютеров несколько отличается от приведенной выше. В частности, арифметическо-логическое устройство и устройство управления чаще всего объединены в единое устройство - центральный процессор. Кроме того, выполнение программ может прерываться для выполнения неотложных действий, связанных с поступившими сигналами от внешних устройств компьютера, - прерываний. Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах. Тем не менее большинство современных компьютеров соответствуют принципам, изложенным фон Нейманом.

Процессор, илимикропроцессор, является основным устройством ЭВМ и представляет собой функционально законченное устройство обработки информации. Он предназначен для выполнения вычислений по хранящейся в запоминающем устройстве программе и обеспечения общего управления ЭВМ. Быстродействие ЭВМ в значительной мере определяется скоростью работы процессора. Для ее увеличения процессор использует собственную память небольшого объема, именуемую местной, или сверхоперативной, что в некоторых случаях исключает необходимость обращения к запоминающему устройству ЭВМ.

Вычислительный процесс должен быть предварительно представлен для ЭВМ в виде программы. При выполнении программы ЭВМ выбирает очередную команду, расшифровывает ее, определяет, какие действия и над какими операндами следует выполнить. Эту функцию осуществляет УУ. Оно же помещает выбранные из ЗУ операнды в АЛУ, где они и обрабатываются. Само АЛУ работает под управлением УУ.

Обрабатываемые данные и выполняемая программа должны находиться в запоминающем устройстве -памяти ЭВМ, куда они вводятся через устройство ввода. Емкость памяти измеряется в величинах, кратных байту. Память представляет собой сложную структуру, построенную по иерархическому принципу, и включает в себя запоминающие устройства различных типов. Функционально она делится на две части - внутреннюю и внешнюю.

Внутренняя, илиосновная, память - это запоминающее устройство, напрямую связанное с процессором и предназначенное для хранения выполняемых программ и данных, непосредственно участвующих в вычислениях. Обращение к внутренней памяти ЭВМ осуществляется с высоким быстродействием, но она имеет ограниченный объем, определяемый системой адресации машины.

Внутренняя память, в свою очередь, делится на оперативную (ОЗУ) и постоянную (ПЗУ) память.

Постоянная память обеспечивает хранение и выдачу информации. В отличие от содержимого оперативной памяти содержимое постоянной заполняется при изготовлении ЭВМ и не может быть изменено в обычных условиях эксплуатации. В постоянной памяти хранятся часто используемые (универсальные) программы и данные, к примеру, некоторые программы операционной системы, программы тестирования оборудования ЭВМ и др. При выключении питания содержимое постоянной памяти сохраняется. Как правило, эти данные не могут быть изменены, выполняемые на компьютере программы могут только их считывать. Такой вид памяти обычно называется ROM (read only memory - память только для чтения), или ПЗУ (постоянное запоминающее устройство). Поскольку большая часть этих программ связана с обслуживанием ввода-вывода, эту память называют ROM BIOS (Basic Input-Output System базовая система ввода-вывода).

Оперативная память, по объему составляющая большую часть внутренней памяти, служит для приема, хранения и выдачи информации. При выключении питания ЭВМ содержимое оперативной памяти в большинстве случаев теряется.

Название «оперативная» эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору практически не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память. Часто для оперативной памяти используют обозначениеRAM(random access memory, т. е. память с произвольным доступом).

От количества установленной в компьютере оперативной памяти напрямую зависит, с какими программами можно на нем работать. При недостаточном количестве оперативной памяти многие программы либо вовсе не будут работать, либо станут работать крайне медленно.

Для ускорения доступа к оперативной памяти на быстродействующих компьютерах используется специальная сверхбыстродействующая кэш-память, которая располагается как бы «между» микропроцессором и оперативной памятью и хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. При обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные уже содержатся в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается.

Кроме обычной оперативной памяти и постоянной памяти в компьютере имеется также небольшой участок памяти для хранения параметров конфигурации компьютера. Его часто называют CMOS-RAM, поскольку эта память обычно выполняется по технологии «CMOS», обладающей низким энергопотреблением. Содержимое CMOS-RAM не изменяется при выключении электропитания компьютера. Эта память располагается на контролере периферии, для электропитания которого используются специальные аккумуляторы.

Для изменения параметров конфигурации компьютера вBIOSсодержится программа настройки конфигурации компьютера Setup. Аккумулятор снабжает электроэнергией и встроенные в компьютер часы (так называемые часы реального времени). Наличие этих часов позволяет не задавать текущее время при каждом включении компьютера.

Еще один вид памяти в IВМ РС-совместимых компьютерах это видеопамять, т. е. память, используемая для хранения изображения, выводимого на экран монитора. Эта память обычно входит в состав видеоконтроллера - электронной схемы, управляющей выводом изображения на экран монитора.

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для размещения больших объемов информации и обмена ею с оперативной памятью. Для построения внешней памяти используют энергонезависимые носители информации (диски и ленты), которые к тому же являются переносными. Емкость этой памяти практически не имеет ограничений, а для обращения к ней требуется больше времени, чем ко внутренней.

Внешние запоминающие устройства конструктивно отделены от центральных устройств компьютера (процессора и внутренней памяти), имеют собственное управление и выполняют запросы процессора без его непосредственного вмешательства (рис. 19).

ВЗУ по принципам функционирования разделяются на устройства прямого доступа (накопители на магнитных и оптических дисках) и устройства последовательного доступа (накопители на магнитных лентах). Устройства прямого доступа обладают большим быстродействием, поэтому они являются основными внешними запоминающими устройствами, постоянно используемыми в процессе функционирования компьютера. Устройства последовательного доступа используются в основном для резервирования информации.

Устройства ввода-вывода служат соответственно для ввода информации в машину и вывода из нее, а также для обеспечения общения пользователя с машиной. Процессы ввода-вывода протекают с использованием внутренней памяти. Иногда устройства ввода-вывода называютпериферийными, иливнешними, устройствами. К ним относятся, в частности, дисплеи (мониторы), клавиатура, манипуляторы, печатающие устройства (принтеры), графопостроители, сканеры, звуковые колонки и др.

Монитор принимает изображение от системного блока. Его экран является рабочим полем. С помощьюклавиатуры в компьютер вводятся любой текст, символы, подаются команды и осуществляется управление работой компьютера.Мышь - средство управления курсором на экране монитора. (Все периферийные устройства ввода-вывода описаны в § 8.)

Для управления внешними устройствами (в том числе и ВЗУ) и согласования их с системным интерфейсом служат групповые устройства управления внешними устройствами, адаптеры или контроллеры. Системный интерфейс - это конструктивная часть компьютера, предназначенная для взаимодействия его устройств и обмена информацией между ними. В больших, средних и суперЭВМ в качестве системного интерфейса использовались сложные устройства, имеющие встроенные процессоры ввода-вывода, именуемые каналами. Такие устройства обеспечивают высок

Основные устройства компьютера «живут» в системном блоке. К ним относятся: материнская плата, процессор, видеокарта, оперативная память, жесткий диск. Но за его пределами, обычно на столе, «проживают» также не менее важные устройства компьютера. Такие как: монитор, мышь, клавиатура, колонки, принтер.

В этой статье мы рассмотрим, из чего состоит компьютер , как эти устройства выглядят, какую функцию выполняют и где они находятся.

Системный блок.

В первой категории мы разберём те устройства, или их еще называют комплектующие, которые «прячутся» в системной блоке. Они наиболее важны для его работы. Кстати, сразу можете заглянуть в системник. Это не сложно. Достаточно открутить два болта сзади системного блока и отодвинуть крышку в сторону, и тогда нам откроется вид важнейших устройств компьютера, по порядку которые, мы сейчас рассмотрим.

Материнская плата – это печатная плата, которая предназначена для подключения основных комплектующих компьютера. Часть из них, например, процессор или видеокарта устанавливается непосредственно на саму материнскую плату в предназначенный для этого разъем. А другая часть комплектующих, к примеру, жесткий диск или блок питания, подключается к материнской плате с помощью специальных кабелей.

Процессор – это микросхема и одновременно «мозг» компьютера. Почему? Потому что он отвечает за выполнение всех операций. Чем лучше процессор тем быстрее он будет выполнять эти самые операции, соответственно компьютер будет работать быстрее. Процессор конечно влияет на скорость работы компьютера, и даже очень сильно, но от вашего жесткого диска, видеокарты и оперативной памяти также будет зависеть скорость работы ПК. Так что самый мощный процессор не гарантирует большую скорость работы компьютера, если остальные комплектующие уже давно устарели.

3. Видеокарта.

Видеокарта или по-другому графический плата, предназначена для вывода картинки на экран монитора. Она также устанавливается в материнскую плату, в специальный разъем PSI-Express. Реже видеокарта может быть встроена в саму материнку, но её мощности чаще всего хватает только для офисных приложений и работы в интернете.

Оперативная память – это такая прямоугольная планка, похожа на картридж от старых игровых приставок. Она предназначена для временного хранения данных. К примеру, она хранит буфер обмена. Копировали мы какой-то текст на сайте, и тут же он попал в оперативку. Информация о запущенных программах, спящий режим компьютера и другие временные данные хранятся в оперативной памяти. Особенностью оперативки является то, что данные из неё после выключения компьютера полностью удаляются.

Жесткий диск, в отличие от оперативной памяти, предназначен для длительного хранения файлов. По-другому его называют винчестер. Он хранит данные на специальных пластинах. Также в последнее время распространились SSD диски.

К их особенности можно отнести высокую скорость работы, но тут же есть сразу минус – они дорого стоят. SSD диск на 64 гигабайта обойдется вам в цене также как винчестер на 750 гигабайт. Представляете сколько будет стоить SSD на несколько сотен гигабайт. Во, во! Но не стоит расстраиваться, можно купить SSD диск на 64 ГБ и использовать его в виде системного диска, то есть установить на него Windows. Говорят, что скорость работы увеличивается в несколько раз. Система стартует очень быстро, программы летают. Я планирую перейти на SSD, а обычные файлы хранить на традиционном жестком диске.

Дисковод нужен для работы с дисками. Хоть уже и гораздо реже используется, все-же на стационарных компьютерах он пока что не помешает. Как минимум дисковод пригодится для установки системы.

6. Системы охлаждения.

Система охлаждения – это вентиляторы, которые охлаждают комплектующие. Обычно установлено три и более кулеров. Обязательно один на процессоре, один на видеокарте, и один на блоке питания, а далее уже по желанию. Если будет что-то тепленьким, то желательно охлаждать. Устанавливаются также вентиляторы на жесткие диски и в самом корпусе. Если кулер в корпусе установлен на передней панели, то он забирает тепло, а кулеры установленные на заднем отсеке подают в системних холодный воздух.

Звуковая карта выводит звук на колонки. Обычно она встроена в материнскую плату. Но бывает, что она либо ломается, и поэтому покупается отдельно, либо же изначально качество стандартной владельца ПК не устраивает и он покупает другую звуковуху. В общем звуковая карта также имеет право быть в этом списке устройств для ПК.

Блок питания нужен для того, чтобы все вышеописанные устройства компьютера заработали. Он обеспечивает все комплектующие необходимым количеством электроэнергии.

8. Корпус

А чтобы материнскую плату, процессор, видеокарту, оперативную память, жесткий диск, дисковод, звуковую карту, блок питания и возможно какие-то дополнительные комплектующие было куда-то засунуть, нам понадобится корпус. Там все это аккуратно устанавливается, закручивается, подключается и начинает ежедневную жизнь, от включения до выключения. В корпусе поддерживается необходимая температура, и все защищено от повреждений.

В итоге мы получаем полноценный системный блок, со всеми важнейшими устройствами компьютера, которые нужны для его работы.

Периферийные устройства.

Ну а чтобы полноценно начать работать на компьютере, а не смотреть на «жужжащий» системный блок, нам понадобятся Периферийные устройства. К ним относятся те компоненты компьютера, которые за пределами системника.

Монитор само собой нужен, чтобы видеть то, с чем мы работаем. Видеокарта подает изображение на монитор. Между собой они подключены кабелем VGA или HDMI.

Клавиатура предназначена для ввода информации, ну само собой какая работа без полноценной клавиатуры. Текст напечатать, в игры поиграть, в интернете посидеть и везде нужна клавиатура.

3. Мышь.

Мышь нужна чтобы управлять курсором на экране. Водить его в разные стороны, кликать, открывать файлы и папки, вызывать различные функции и много другое. Также, как и без клавиатуры, без мыши никуда.

4. Колонки.

Колонки нужны в основном чтобы слушать музыку, смотреть фильмы и играть в игры. Кто еще сегодня использует колонки больше, чем ежедневно их воспроизводят обычные пользователи в этих задачах.

Принтер и сканер нужен чтобы печатать и сканировать документы и всё, всё необходимое в области печатанья. Или МФУ, многофункциональное устройство. Пригодится всем тем, кто часто что-то печатает, сканирует, делает ксерокопии и совершает много других задач с этим устройством.

В этой статье мы лишь кратко рассмотрели основные устройства компьютера , а в других, ссылки на которые вы видите ниже, мы подробно рассмотрим все наиболее популярные периферийные устройства, а также компоненты, которые входят в состав системного блока, то есть комплектующие.

Приятного чтения!