Конспект урока по информатике

Тема: Архитектура компьютера.

Цели урока:

• освоить основные характеристики устройств компьютера;

• иметь представление о функциональном назначении периферийного оборудования

Ход урока

1. Оргмомент.

2. Проверка домашнего задания

III. Объяснение нового материала.

Архитектурой компьютера называют описание основных устройств и принципов работы компьютера достаточных для понимания пользователя. Персональный компьютер включает в себя следующие основные блоки:

• внутреннюю память (оперативную и запоминающую);

• процессор;

• периферийные устройства.

Схема «Основные устройства персонального компьютера»

Периферийные устройства

Внутренняя память компьютера

Внутренняя память компьютера состоит из двух частей: оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и постоянного запоминающего устрой­ства (ПЗУ). Они располагаются на материнской плате. Оперативное запо­минающее устройство используется для временного хранения данных в процессе непосредственной работы компьютера. Оперативная память обес­печивает режимы записи, считывания и хранения информации, причем в каждый момент времени возможен доступ к любой произвольно выбранной ячейке памяти. Это свойство отражено в англоязычном названии оператив­ной памяти RАМ .Минимальной единицей является бит памяти, которые сгруппирова­ны в труппы по 8 бит, образующие байт памяти. Каждая совокупность имеет собственный адрес, по которой и осуществляется прямое обращение к данным. В оперативной памяти хранятся системные программы, осуще­ствляющие непосредственное управление системными ресурсами компью­тера, и прикладные программы, с которыми работает пользователь в дан­ный момент времени.

Основной характеристикой оперативной памяти является ее объем, влияющий на скорость работы компьютера. Современные компьютеры имеют от 126 и выше Мбайт памяти. Часть оперативной памяти выделена для хранения данных, соответствующих текущему изображению на экране. ОЗУ является электронным устройством, после выключения компьютера все данные стираются. Для постоянного хранения используется постоянное запоминающее устройство, где хранятся данные, не требующие вмешательства пользова­теля и необходимые для корректной работы компьютера. Информация в ПЗУ «зашивается» в процессе создания компьютера. Она включает в себя программы: запуска и остановки ЭВМ; тестирования устройств, прове­ряющие при каждом включении компьютера правильность работы его бло­ков; управления работой процессора, дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью. А также содержит информацию о месторасположении на диске операционной системы.

Компьютер может читать или исполнять программы из постоянной памя­ти, но он не может изменять их и добавлять новые. Постоянная память пред­назначена только для считывания информации. Это свойство постоянной памяти объясняет часто используемое английской название. Постоянная память, так же как и опера­тивная, реализуется интегральными микросхемами. Отличие заключается в том, что эти микросхемы являются энергонезависимыми. Выключение пита­ния не приводит к потере данных. Существуют две основные разновидности микросхем КОМ памяти, однократно программируемые (после записи со­держимое памяти не может быть изменено) и многократно программируе­мые. Стирание содержимого многократно программируемой памяти произ­водится электрическим сигналом или ультрафиолетовым лучом.

Для увеличения производительности компьютера, согласования работы устройств с различным быстродействием современный компьютер исполь­зует еще один вид - кэш память. Кэш память является промежуточным запоминающим устройством или буфером. Она используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью, между опера­тивной памятью и внешним накопителем. Использование кэш памяти со­кращает число обращений к жесткому диску для чтения-записи, так как в ней хранятся данные, повторное обращение к которым, со стороны процес­сора не требует дополнительного чтения или иной обработки информации. Существует два типа кэш памяти: внутренняя, размещаемая внутри про­цессора (размером от 8 до 64 Кбайт) и внешняя, которая устанавливается на системной плате (размером от 256 Кбайт до 1 Мбайт).

Процессор

Центральный процессор - техническое устройство, являющееся основ­ным рабочим компонентом компьютера, осуществляющее арифметические и логические операции, заданные программой, управляющее вычислитель­ным процессом и координирующее работу всех устройств компьютера. Микросхема, реализующая функции центрального процессора персональ­ного компьютера, называется микропроцессором.

Микропроцессор выполнен в виде сверхбольшой интегральной схемы, представляющий собой кремниевую пластинку на которой размещены электронные компоненты. Чем больше компонентов содержит микропро­цессор, тем выше производительность компьютера. Размер минимального элемента микропроцессора составляет несколько микрометров/Микропро­цессор штырьками вставляется в специальное гнездо на системной плате.

Микропроцессор состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ), устройства управления (УУ) и регистровая временного хранения информа­ции. АЛУ отвечает за обработку данных] В каждый момент времени считы­вается отдельная команда и в регистрах временного хранения сохраняется адрес, с которого была считана информация и номер действия, которое нуж­но выполнить над считанными данными. Данные считываются из оператив­ной памяти, и после выполнения необходимых действий измененное значе­ние возвращается обратно в память. Координацию взаимодействия различ­ных устройств компьютера осуществляет устройство управления. Воздейст­вие осуществляется не напрямую, а через оперативную память.

Важнейшими характеристиками процессора являются:

• разрядность;

• тактовая частота;

• адресное пространство.

Процессор оперирует машинными словами, размер которых имеет раз­личное значение у разных компьютеров. Машинное слово - это число бит, к которым процессор имеет одновременный, доступ. Размер машинного слова может быть равен 8, 16, 32, 64 битам. Размер машинного слова и оп­ределяет разрядность процессора, равный числу одновременно обрабаты­ваемых битов. Чем больше разрядность процессора, тем больше информа­ции он может обработать в единицу времени, тем выше его эффективность.

Быстродействие компьютера определяется тактовой частотой процес­сора или количеством выполняемых операций в единицу времени. Процес­сор содержит микросхему, называемую генератором тактовой частоты. Ге­нератор отчитывает необходимое количество тактов для выполнения опре­деленной операции. За период существования персональных компьютеров . тактовая частота возросла от 4,77 МГц (18088) до 333 и более ме­гагерц.

Параметры процессора ограничивают объем оперативной памяти, с ко­торым он может взаимодействовать. Максимальное количество памяти, которое процессор может обслужить, называется адресным пространст­вом процессора. Адресное пространство представляет собой совокупность адресов, используемых в данной вычислительной системе. Значение адреса представлено в процессоре определенным количеством бит. Если .адрес состоит из п бит, то адресное пространство будет равно 2".

Кроме основного микропроцессора во многих компьютерах имеются специализированные процессоры. Например, математический сопроцес­сор - микросхема, которая помогает основному процессору в выполнении математических вычислений с десятичной (плавающей) точкой.

Системная шина

Системная шина, другими словами - магистраль, позволяет осуществ­лять взаимодействие между процессором и остальными компонентами компьютера. По этой шине осуществляется не только передача информа­ции, но и адресация устройств, а также обмен специальными служебными сигналами. Системная шина физически представляет собой набор провод­ников, объединяющих основные узлы системной платы. От типа системной шины, так же как и от типа процессора , зависит скорость обработки ин формации персональным компьютером. Основной характеристикой этих линий является частота и разрядность.

Число одновременно передаваемых по шине адреса и шине данных раз­рядов (битов) определяет разрядность соответствующей шины. От разряд­ности шины данных зависит максимально возможное общее количество доступной памяти (адресное пространство процессора), а разрядность ши­ны данных влияет на максимальную порцию информации, которую можно получить из памяти за один раз. Для процессора 18088, разрядность адрес­ной шины равнялась 20 и, соответственно, максимальное количество дос­тупной памяти составляло 1 Мбайт. Современные процессоры Реп1шт мо­гут адресовать до 1 Г байта памяти. Следует заметить, что в компьютере, как правило, объем оперативной памяти меньше, чем максимально воз­можный для процессора.

Современный компьютер имеет системную шину 32 и 64 бита. Такая разрядность шины данных позволяет значительно повысить скорость обме­на информацией, а увеличение разрядности адресной шины обеспечивает возможность обращения к большему объему оперативной памяти! Системная шина включает в себя: шину данных, адресную шину и шину управле­ния. Каждая часть предназначена для передачи определенных сигналов.

Общая схема взаимодействия процессора с остальными устройствами выглядит следующим образом. На шину адреса выставляется значение ли­бо адреса оперативной памяти, либо адрес устройства к которому обраща­ется процессор. По шине данных передаются данные, над которыми необ­ходимо осуществить заданное действие, которое распознается по управ­ляющему сигналу, передаваемому по шине управления.

Поэтапное взаимодействие процессора с оперативной памятью выгля­дит следующим образом:

1. процессор устанавливает на шине адреса адрес ячейки памяти, кото­рую хочет прочитать;

2. на шине управления процессор выставляет сигнал готовности и сиг­нал чтения;

3. заметив сигнал готовности, все устройства проверяют, не стоит ли на шине адреса их адрес;

4. оперативная память, заметив, что выставлен ее адрес, считывает управляющий сигнал (например, в нашем случае - сигнал чтения);

5. память читает адрес;

6. память выставляет на шине данных требуемую информацию;

7. память выставляет на шине управления сигнал готовности;

8. процессор читает данные с шины данных.

На системной шине каждое периферийное устройство имеет собствен­ную линию, на которую при необходимости выдается сигнал прерывания и процессор может прервать выполнение какого-либо действия и начать об­рабатывать этот сигнал. Однако системная шина как основная информаци­онная магистраль не может обеспечить достаточную производительность для внешних устройств. Для решения этой проблемы в компьютере стали использовать локальные шины, которые связывают микропроцессор с пе­риферийными устройствами.

Контроллеры

Между системной шиной и периферийными устройствами находятся специальные платы - контроллеры, которые вставляются в разъемы (сло­ты) на материнской плате, а к их портам подключаются дополнительные устройства (дисководы, манипуляторы типа «мышь», принтеры и т. д.). Именно контроллер декодирует сигнал, поступающий от процессора, и за­тем посылает обработанный сигнал для выполнения его устройством, т. е. полученный двоичный сигнал преобразуется в вид понятный пользователю.

Порты

Портами называют контакты (разъемы), находящиеся на контроллерах, и выведенные на тыльную сторону системного блока. Порты используются для подключения устройств ввода и вывода к системному блоку. Исключе­ние составляют дисководы гибких, жестких и лазерных дисков, которые устанавливаются внутри системного блока.

Различают параллельные и последовательные порты. Параллельные порты используются для подсоединения внешних устройств, которым не­обходимо передавать на близкое расстояние большой объем информации, такие как принтер, сканер. Число параллельных портов у компьютера не превышает трех, и они имеют соответственно имена ЬРТ1, ЬРТ2. ЬРТЗ. Параллельный порт осуществляет передачу 8 бит данных по 8 параллель­ным проводам одновременно.

Последовательные порты используются для подключения к системному блоку манипуляторов, модемов и многих других устройств. Передача дан­ных осуществляется последовательно один бит за другим. Такой вид пере­дачи используется для пересылки информации на большие расстояния, по­этому последовательные порты часто называют коммуникационными. Ко­личество коммуникационных портов не превышает четырех, и им присвое­ны имена от СОМ1 до СОМ4.

Устройства ввода

Одним из основных периферийных устройств являются устройства вво­да, которые подключаются к свободному порту, либо в свободный слот платы расширения. Различают два основных типа устройств: с клавиатур­ным вводом и прямым вводом. В первом случае осуществляется ввод с кла­виатуры, в другом случае данные считываются непосредственно компью­терными устройствами, например, манипуляторы, сенсорные устройства, сканеры, устройства распознавания речи. Устройства ввода управляются с помощью специальных программ, называемых драйверами.

С клавиатуры осуществляется ручной ввод различных символов и слу­жебных команд. Современная клавиатура (расширенная) имеет более 101 клавиши, которые по расположению делятся на четыре поля. В верхней части клавиатуры расположены функциональные клавиши, которые подпи­саны буквой F и имеют номера от 1 до 12. Для разных программ эти кла­виши выполняют различные функции, но некоторые из них стали традици­онно одинаковыми, например, клавиша F1 всегда вызывает справку или помощь. В этом же ряду слева находится клавиша sc, предназначенная для отказа от выполненной команды.

Основное поле клавиатуры имеет клавиши с цифрами, буквами и специ­альными символами. Переключение регистра (верхний/нижний) произво­дится при удержании клавиши или включении клавиши Ьоск. Клавиша выполняет команду табулирования, т. е. переводит указатель ввода символов в следующее поле. Клавиша удаляет символ, стоящий слева от указателя. Клавиша завершает ввод ко­манд и данных. Наконец, в основном поле присутствует клавиша пробела (самая длинная клавиша в нижнем ряду) и клавиши и , выпол­няющие вспомогательные функции.

В правой части расположена дополнительная клавиатура, которая вклю­чается клавишей . С этой клавиатуры очень удобно вводить цифры и символы арифметических действия. Между правой и левой частями клавиатуры расположены клавиши перемещения курсора, обозначенные стрелками. В этом же поле находится клавиша , нажатие которой приводит к удалению символа, расположенного справа от указателя.

Манипуляторы осуществляют непосредственный ввод информации, указывая курсором на экране монитора команду или место ввода данных. Манипуляторы, как правило, подключаются к коммуникационному порту (СОМ1-СОМ4).

Джойстик представляет собой ручку управления и наиболее часто ис­пользуется в управлении перемещающимися объектами. Джойстик, под­ключенный к обычному компьютеру, управляет перемещениями курсора по экрану.

Мышь - один из распространенных типов манипулятора. В верхней час­ти корпуса мыши установлены кнопки для выполнения действий, в нижней части находится шарик для ее перемещения по коврику. Движение мыши отражается на экране монитора перемещением курсора. Качество мыши определяется ее разрешающей способностью, которая измеряется числом точек на дюйм - ер! (сЫ рег тсЬ). Эта характеристика определяет, насколь­ко точно курсор будет передвигаться по экрану. Для мышей среднего клас­са разрешение составляет 400-800 ф1. Различные манипуляторы типа «мышь» могут отличаться:

• по способу считывания информации (механические, оптико-механи­ческие и оптические);

• по количеству кнопок (2 и 3-кнопочные мыши);

• по способу соединения (проводные или беспроводные мыши).

Трекбол (шаровой манипулятор) - это шар, расположенный в отдельном

корпусе или встроенный в клавиатуру. Часто в качестве корпуса использу­ют манипулятор мышь, когда последовательно используются возможности «мыши» и трекбола. Перемещение курсора по экрану обеспечивается вра­щением шара, не требует коврика и места для перемещения манипулятора по столу.

Сенсорные устройства ввода, представляют собой чувствительные по­верхности, покрытые специальным слоем и связанные с датчиками. При­косновение к поверхности датчика приводит в движение курсор, переме­щение которым осуществляется за счет движения пальца по поверхности. Несмотря на компактные размеры коврика, величиной со спичечный которые бок, осуществляется полноэкранное управление курсором, и разрешающая способность достигает до 1000 точек на дюйм.

Световое перо - простое устройство, имеющее светочувствительный элемент на своем кончике пера и передающее информацию о направлении луча непосредственно компьютеру. Соприкосновение пера с экраном замы­кает фотоэлектрическую цепь и определяет место ввода или коррекции данных. Световое перо используется в различных системах обработки и анализа медицинских изображений, выбора операций в меню и для рисова­ния схем.

Графический планшет (дигитайзер) используется для ввода в компью­тер высокоточных рисунков. Нажатие на поверхность специальным пером активизирует миниатюрные переключатели, замыкание которых является сигналом для воспроизведения на экране монитора контура изображения. Программа, обрабатывающая вводимые изображения оцифровывает их и позволяет записывать в память компьютера для их последующего воспро­изведения.

Сканер ~ устройство для распознавания изображений, хранящихся на бумажных носителях для создания их электронных копий и последующего хранения в памяти компьютера. Различают сканеры:

• по глубине распознавания цвета (черно-белые, с градацией серого,
  цветные);

• по оптическому разрешению (измеряется в точках на дюйм (ф!) и определяет количество точек, которые сканер различает на каждом дюйме);

• по используемому программному обеспечению для сканирования и предварительной обработки изображений;

• по конструкции (ручные, страничные и планшетные).
Устройства распознавания речи. С помощью обычного микрофона речь

человека вводится в компьютер и преобразуется в цифровой код. Большин­ство систем распознавания речи могут быть настроены на особенности че­ловеческого голоса. Это реализуется путем сравнения сказанного слова с образцами, предварительно записанными в памяти компьютера. Некоторые системы могут определять одинаковые слова, сказанные разными людьми. Однако список этих слов ограничен. Лучшие системы распознают до 30 тысяч слов с адаптацией к индивидуальным типам голосов.

(Об устройствах вывода необходимо предложить подготовить учащимся доклады, либо одному о каждом устройстве, либо нескольким конкретно о каждом устройстве на 3-5 минут.)

Подводя итог:

• описание архитектуры компьютера предполагает рассмотрение
  функционального назначения устройств без какой-либо технической конкретизации;

• выполнение заданных функций каждым устройством компьютера позволяет функционировать системе в целом;

• управление компьютером осуществляется благодаря процессору, ко­торый обрабатывает команды заданной программы;

• для долговременного хранения информации используются устройст­ва внешней памяти;

• для ускорения работы компьютера используется внутренняя память, созданная для быстрого доступа.