Загальна характеристика комп’ютерів

Швидкість роботи комп'ютера істотно  залежить від швидкодії оперативної  пам'яті. Тому постійно ведуться пошуки елементів для оперативної пам'яті, які потребували б якомога  менше часу на операції читання-запису. Але разом із швидкодією зростає вартість елементів пам'яті, тому нарощення швидкодійної оперативної пам'яті потрібної ємності не завжди прийнятна економічно.

Проблема вирішується побудовою  багаторівневої пам'яті. Оперативна пам'ять складається з двох-трьох частин: основна частина великої ємності будується на відносно повільних (більш дешевих) елементах, а додаткова (так звана кеш-пам'ять) складається зі швидкодійних елементів. Дані, до яких процесор звертається найчастіше містяться в кеш-пам'яті, а більший обсяг оперативної інформації зберігається в основній пам'яті.

Раніше роботою пристроїв введення-виведення  керував центральний процесор, що займало в нього чимало часу. Архітектура сучасних комп'ютерів передбачає наявність каналів прямого доступу до оперативної пам'яті для обміну даними з пристроями введення-виведення без участі центрального процесора, а також передачу більшості функцій керування периферійними пристроями спеціалізованим процесорам, що розвантажує центральний процесор і підвищує його продуктивність.

Основні характеристики комп’ютерів

ПК — це універсальний комп’ютер, конструкція, набір апаратних компонентів та програмне забезпечення якого орієнтовані на роботу з окремим користувачем у діалоговому режимі. Універсальність ПК полягає в тому, що характеристики його апаратної та програмної конфігурацій дозволяють розв’язувати задачі практично з усіх галузей людської діяльності Характеристиками ПК є параметри їх архітектурної організації та техніко-експлуатаційні характеристики. Під архітектурою обчислювальної машини розуміють її логічну організацію, опис внутрішньої структури з точки зору ресурсів, які можуть бути виділені у процесі обробки даних.

 До основних технічних характеристик  ПК належать такі 

>    Модель (тип) мікропроцесора. У комп’ютерах ІВМ РС використовуються  мікропроцесори (МП) фірми Іntel (Іntel-8088, 80286, 80386, 80486), а також сумісні з ними мікропроцесори інших фірм (наприклад, Pentium I, II, III, IV). Характерною рисою мікропроцесорів різних моделей є розрядність різних основних регістрів, кількісний та якісний склад системи команд (тобто перелік видів операцій, які може виконувати мікропроцесор). Від розрядності залежить, який об’єм інформації в бітах опрацьовує мікропроцесор за одиницю часу.

>    Тактова частота –  вказує, скільки тактів здійснює мікропроцесор за секунду. Вимірюєтьсяктова частота в МГц ( 1 МГц = 1 млн.тактів/сек).

Так, процесор Pentium ІІІ-600 виконує 600*106 тактів/сек. Розрядність та тактова частота  істотно впливають на  продуктивність роботи персонального комп’ютера, оскільки, чим більшою є розрядність, тим більшими порціями  мікропроцесор може читати дані для обробки, а чим більшою є тактова частота, тим швидше здійснюється  процес обробки даних.

На початку 80-х років ПК працювали з частотою  4.77 МГц, ПК на базі  мікропроцесорів 80286 мали тактову частоту 8, 10, 12 МГц, тактова частота Pentium процесорів була не менша 66 МГц. Частота сучасних  ПК досягла рубежу 3000 в Мгц.

>    Наявність підтримки співпроцесора. До ранніх моделей МП фірми Іntel додавався математичний співпроцесор, що допомагав основному МП виконувати математичні операції. Мікропроцесорам Pentium співпроцесори вже не потрібні.

>    Ємність ОЗП. Одним  з найважливішим елементом ПК  є оперативна пам’ять. Саме з неї МП бере програми і вихідні дані, у неї він також записує отриманий результат. Сучасні ПК орієнтовані на роботу з потужним програмним забезпеченням, що потребує 32 - 128 Мбайт ОЗП.

>  Наявність кеш-пам'яті. Кеш-пам’ять  призначена для прискорення доступу  до ОП і розташовується немов  би між МП і ОП. При звертанні МП до пам’яті спочатку проводиться пошук потрібних даних у кеш-пам’яті. Доступ прискорюється внаслідок того, що час доступу до кеш-пам’яті в кілька разів менший, ніж до звичайної пам’яті. Комп’ютери серій 486 і Pentium містять вмонтовану кеш-пам’ять ємністю 256 Кбайт.

>    Характеристики жорсткого  диска (вінчестера). Інформаційна ємність перших вінчестерів, що застосовувалися в ПК, була усього лише кілька мегабайт. Ємність сучасних жорстких дисків може становити 40 Гбайт і більше. Іншими важливими характеристиками накопичувачів на жорстких дисках є час доступу до інформації (це час, за який пристрій знаходить необхідні дані)  і швидкість запису/зчитування інформації.

> Характеристики відеопідсистеми. Визначальною характеристикою є тип відеоадаптера (ЕGА, VGА чи SVGА). Необхідно брати до уваги також обсяг відеопам’яті, розмір екрана монітора, розмір точки зображення і частоту зміни кадрів.

>    Тип системної шини  та її пропускна здатність.  Системна магістраль (шина) забезпечує  передачу даних, адрес та керуючих  сигналів по шинах даних, адрес  та керуючій шині відповідно  між мікропроцесором, оперативною  пам'яттю та інтерфейсними блоками  (контролерами) зовнішніх пристроїв.  Усі контролери зовнішніх пристроїв  підключаються до комп'ютера шляхом вставляння цих контролерів у вільні гнізда (слоти) материнської плати і таким чином під’єднуються до системної шини. Можна назвати наступні типи системних шин: ISА, МСА, ЕІSА, VЕSА, РСІ, АGР. Вони з’являлись на ПК у такій хронологічній послідовності, в якій перераховані, i наступний тип шини мав кращу пропускну здатність та ефективність обслуговування зовнішніх пристроїв. Нові типи шин з’являлись паралельно з появою нових типів мікропроцесорів.

>    Cклад функціональних модулів базової конфігурації та можливості її розширення: тип монітора та розміри його екрана по діагоналі (14", 15", 17", 19", 21" і т. п.), тип вінчестера та об’єм дискового простору на ньому, наявність відповідної відеокарти з потрібним об’ємом відеопам’яті та при необхідності з графічним прискорювачем, наявність звукових колонок та звукової плати, приводу для роботи із компакт-дисками (СD-RОМ) тощо.

>    Габаритні розміри.  Оскільки зовнішні розміри таких  пристроїв, як монітор, клавіатура, “мишка” практично не відрізняються,  то, говорячи про розміри ПК, вказують  тип і розміри його системного  блоку. За конструктивними особливостями  системні блоки бувають таких  типів: DeskТор (горизонтальне розташування), Міnі, Міddle, Віg Тower (вертикальне розташування), Мultimedia Саsе (системний блок разом із звуковими колонками для мультимедіа-комп’ютерів).

>    Потужність енергоспоживання. Як правило, ПК останніх моделей  зі значно більшим апаратним  наповненням споживають менше  електроенергії, ніж комп’ютери  перших моделей.

Магістрально-модульний  принцип  будови ПЕОМ.

Персональний комп’ютер складається  з блоків-модулів, кожний  з яких виконує певні функції в роботі комп’ютера. Модулі – це логічно і конструктивно завершені пристрої, які виконують певні функції в обчислювальному процесі Будова комп’ютерів на основі модульного принципу дозволяє, в міру необхідності,  підключати додаткові пристрої  або робити заміну існуючих на більш досконалі. Перелічимо основні модулі ПК.

•    Материнська плата - на ній розміщені мікропроцесор (МП), генератор тактової частоти, мікросхеми кеш-пам’яті і постійної пам’яті (ПЗП), а також численні контакти для підключення інших модулів комп’ютера.

•    Оперативна пам'ять - цей вид пам’яті називають також оперативним запам'ятовуючим пристроєм (ОЗП). Саме з ОЗП мікропроцесор бере програми і початкові дані, в ОЗП він також записує одержаний результат.

•    Дисководи - служать для  підключення різного роду дисків (твердих і гнучких магнітних дисків, лазерних дисків СD-RОМ), що відіграють роль зовнішніх накопичувачів інформації.

•    Відеоадаптер - перетворює сигнал, що надходить від МП, у  початковий сигнал для монітора, на основі якого і формується зображення. У пристрої відеоадаптера передбачена внутрішня пам'ять (відеопам'ять), що зберігає дані про попереднє зображення, що особливо корисно у разі зображень, які повільно змінюються.

•    Звукова плата - використовується для запису і відтворення звукових сигналів за допомогою комп’ютера.

Усі перелічені модулі (крім першого) підключаються до материнської плати через спеціальні контакти - слоти. Це дає змогу споживачеві самому комплектувати потрібну йому конфігурацію комп’ютера. Модульна архітектура полегшує також модернізацію комп’ютера й усунення несправностей.

Таким чином, магістрально-модульний  принцип будови комп'ютерів полягає  в тому, що їх окремими апаратними складовими є модулі, обмін інформацією між якими здійснюється через системну магістраль.

Сучасні багаторівневі  машини.

Більшість сучасних комп'ютерів складається  з двох і більше рівнів. Існують машини навіть з шістьма рівнями Рівень 0 - це апаратне забезпечення машини. Електронні схеми на рівні 1 виконують машинно-залежні програми. Заради повноти потрібно згадати про існування ще одного рівня, який розташований нижче нульового. Цей рівень не показаний, так як він потрапляє в сферу електронної техніки і, отже, не розглядається. Він називається рівнем фізичних пристроїв. На цьому рівні знаходяться транзистори, які для розробників комп'ютерів є примітивами. Пояснити, як працюють транзистори, - завдання фізики.

На самому нижньому рівні з тих, що розглядаються, а саме, на цифровому логічному рівні, об'єкти називаються вентилями. Хоча вентилі складаються з аналогових компонентів, таких як транзистори, вони можуть бути точно змодельовані як цифрові пристрої. У кожного вентиля є один або кілька цифрових вхід) (сигналів, що представляють 0 або 1). Вентиль обчислює прості функції цих сигналів, такі як І або О. Кожний вентиль формується з декількох транзисторів. Кілька вентилів формують 1 біт пам'яті, який може містити 0 або 1. Біти пам'яті, об'єднані в групи, наприклад, по 16, 32 або 64, формують регістри. Кожен регістр може містити одне двійкове число до певної межі. З вентилів також може складатися сам комп'ютер.

Наступний рівень називається рівнем мікроархітектури. На цьому рівні знаходяться сукупності 8 або 32 регістрів, які формують локальну пам'ять і схему, звану АЛП (арифметико-логічний пристрій). АЛП виконує прості арифметичні операції. Регістри разом з АЛП формують тракт даних, по якому надходять дані. Тракт даних працює таким чином. Вибирається один або два регістри, АЛП проводить над ними яку-небудь операцію, наприклад додавання, після чого результат знову поміщається в один з цих регістрів.

На деяких машинах робота тракту даних контролюється особливою програмою, яка називається мікропрограмою. На інших машинах тракт даних контролюється апаратними засобами.

На машинах, де тракт даних контролюється  програмним забезпеченням, мікропрограма - це інтерпретатор для команд на рівні 2. Мікропрограма викликає команди з пам'яті і виконує їх одну за одною, використовуючи при цьому тракт даних. Наприклад, при виконанні команди ADD вона викликається з пам'яті, її операнди поміщаються в регістри, АЛП обчислює суму, а потім результат переправляється назад. На комп'ютері з апаратним контролем тракту даних відбувається така ж процедура, але при цьому немає програми, інтерпретує команди рівня 2.

Кожен виробник публікує керівництво  для комп'ютерів, які він продає, під назвою "Керівництво по машинній мові ", "Принципи роботи комп'ютера " і т. п. Подібне посібник містить інформацію саме про ці рівні. Описуваний в ньому набір машинних команд в дійсності виконується мікропрограмою-інтерпретатором або апаратним забезпеченням. Якщо виробник поставляє два інтерпретатора для однієї машини, він повинен видати два керівництва по машинному мові, окремо для кожного інтерпретатора.

Наступний рівень зазвичай є гібридним. Більшість команд в його мові є також і на рівні архітектури набору команд (команди, наявні на одному з рівнів, цілком можуть бути представлені і на інших рівнях). У цього рівня є деякі додаткові особливості: новий набір команд, інша організація пам'яті, здатність виконувати дві і більше програми одночасно і деякі інші. При побудові рівня 3 можливо більше варіантів, ніж при побудові рівнів 1 і 2.

Нові засоби, що з'явилися на рівні 3, виконуються інтерпретатором, який працює на другому рівні. Цей інтерпретатор був колись названий операційною системою. Команди рівня 3, ідентичні командам рівня 2, виконуються мікропрограмою або апаратним забезпеченням, але не операційною системою. Іншими словами, одна частина команд рівня 3 інтерпретується операційною системою, а інша частина - мікропрограмою. Ось чому цей рівень вважається гібридним.

Між рівнями 3 і 4 є істотна різниця. Нижні три рівня задумані не для того, щоб з ними працював звичайний програміст. Вони споконвічно орієнтовані на інтерпретатори і транслятори, що підтримують більш високі рівні. Ці транслятори і інтерпретатори складаються так званими системними програмістами, які спеціалізуються на розробці нових віртуальних машин. Рівні з четвертого і вище призначені для прикладних програмістів, вирішуючих конкретні завдання.

Ще одна зміна, що з'явилося на рівні 4, - механізм підтримки більш високих рівнів. Рівні 2 і 3 зазвичай інтерпретуються, а рівні 4, 5 і вище зазвичай, хоч і не завжди, транслюються.

Інша відмінність між рівнями 1, 2, 3 і рівнями 4, 5 і вище - особливість мови. Машинні мови рівнів 1, 2 і 3 - цифрові. Програми, написані на цих мовах, складаються з довгих рядів цифр, які сприймаються комп'ютерами, але малозрозумілі для людей. Починаючи з рівня 4, мови містять слова і скорочення, зрозумілі людині.

Рівень 4 являє собою символічну форму однієї з мов нижчого рівня. На цьому рівні можна писати програми в прийнятній для людини формі. Ці програми спочатку транслюються на мову рівня 1, 2 або 3, а потім інтерпретуються відповідною віртуальною або фактично існуючої машиною. Програма, яка виконує трансляцію, називається асемблером.