Информационни технологии & Интернет

Обобщена структура на компютъра

Компютрите, произвеждани от различните фирми в различните периоди от развитието им, притежават голямо разнообразие от конструктивни и технологични решения. На фона на това многообразие могат да се обособят няколко блока, характерни за всеки компютър. Това са:

• централен процесор
• памет
• устройства за вход/изход на информация
• захранване

Централният процесор е основният блок за обработка на информацията. Той включва в себе си и управляващия блок, които, подобно на мозъка при човека, изпраща команди и следи за тяхното изпълнение към всички възли от цялата компютърна система. Нарича се централен, защото редица други блокове, влизащи в състава на компютърната система, притежават свои собствени процесори, управляващи тяхната работа.

Паметта, това е складът с данните, необходими за работата на компютъра. Тези данни имат разнообразно значение в процеса на обработка на информацията и за това самата памет е организирана по особен начин. Програма, по която работи компютъра, се съхранява в паметта, от където процесорът я чете и я изпълнява стъпка по стъпка. От друга страна междинните резултати също се съхраняват в паметта, но в различна област от тази, в която е разположена програмите. Крайните резултатите също се съхраняват в нея, а когато се наложи те да бъдат запазени за по-продължителен период от време, се съхраняват в така наречената външна памет и т.н.

Устройствата за вход/изход са сетивата и крайниците на компютъра. Чрез тях той контактува с външната среда, получава информация, извежда резултати, управлява механизми и т.н.

Организация на паметта

Както беше споменато, данните, които се съхраняват в паметта, са от твърде разнообразно естество. За това и самата памет се организира на отделни нива.

В основата на всяка памет е така нареченият запомнящ елемент. Той може да бъде електронен (тригер), електростатичен (капацитет), магнитен и др. Един елемент запомня един бит информация. Грубо казано, един бит е тази информация, която констатира наличието или отсъствието на нещо. Това наличие или отсъствие може да се кодира съответно с единица и нула, което обяснява, защо в изчислителната техника е възприета двоичната бройна система.

Когато се подредят в паралел няколко запомнящи елемента, се получава запомняща клетка. Всеки елемент съответства на един двоичен разред. Следователно запомнящата клетка може да съхранява многоразредно двоично число.

Прието е групата от 8 разреда да се нарича байт. С един байт могат да се представят числата от 0 до 255. При организацията на паметта е възприета побайтова структура. Когато трябва да се представят числа, по-големи от 255, те се поместват в две последователни клетки от паметта, за още по-големи числа – четири клетки и т.н. Ако се възприеме например, една клетка да бъде 32 битова, т.е. четири байта, тогава при работа с малки числа старшите битове трябва да се запълват с нули. Това води до излишен разход на памет.

Отделните запомнящи клетки се подреждат последователно и се номерират. Номерът на съответната клетка се нарича адрес. Тя се търси по този адрес, когато е необходимо в нея да се записва или от нея да се чете.

В компютъра могат да се различат четири основни нива на паметта, класифицирани по скоростта на достъп до данните и по обем. Най-бърз достъп се осигурява от така наречената свръхоперативна памет. Това е собствената памет на самия процесор. В него са оставени няколко запомнящи клетки наречени регистри.

Оперативната памет е следващото ниво. Това са свободни клетки за четене и запис, оставени на разположение на програмиста, който ги използва както намери за добре. В нея се зарежда програмата, която трябва да се изпълнява, съхраняват се междинни и крайни резултати. За тези два вида памети е характерно, че информацията в тях се губи щом се прекъсне захранването.

Служебните програми, управляващи отделните блокове и възли, се записват в постоянната памет. Тя се различава от оперативната по това, че информацията от нея не се губи след прекъсване на захранването. Тази памет е предназначена само за четене и не допуска презапис. Известна е като памет от тип ROM. Данните в нея се записват в завода – производител и остават постоянно в нея. В съвременната изчислителна техника се използва още един вид енерго-независима памет от типа EEPROM. Тя може да се презаписва многократно по електрически път и не губи информацията при изключване на захранването.

Обемът на оперативната и постоянната памет е значително по-голям от този на свръхоперативната, но времето за достъп е значително по-малко. Най-голям обем има така наречената външна памет, но достъпът до нея е най-бавен. Данните  се съхраняват върху магнитен носител или върху компактдиск.

Адресното поле, което може да обслужва компютъра е ограничено и е определено от типа на процесора. Когато се налага да се съхраняват по-голям по обем данни, могат да се използват безадресни памети. При тях данните се търсят по последователността на въвеждането. Биват стекове и опашки. При стековете е в сила правилото “пръв въведен – последен прочетен”, а при опашките – “пръв въведен – пръв прочетен”.
Опашките се използват например вътре в съвременните процесори за постигане на така наречената конвейрна организация. Стекът е задължителен за всеки съвременен компютър и той се използва преди всичко при обработване на прекъсванията.

Външната памет се използва за съхраняване на програми, с които в момента не се работи. Когато трябва например да се пише писмо, се зарежда в оперативната памет програмата текстов редактор, която нормално се съхранява във външната памет. Ако, след като се напише това писмо, е необходимо да се разработва печатна платка, в оперативната памет се зарежда потребителска програма за разработване на печатни платки, като старата програма се изтрива от паметта. И текстовият редактор и програмата за печатни платки остават върху външната памет и могат да се въвеждат отново и отново.

Съществуват големи потребителски програми, за които оперативната памет се оказва недостатъчна. В такива случаи те използват като оперативна памет част от външната памет, но това забавя твърде много работата на компютъра.

Външните запаметяващи устройства са магнитните дискове, магнитните ленти и компактдисковете. Най-бързи са твърдите магнитни дискове, поради което най-често се работи с тях. Гъвкавите магнитни дискове са с ниска надеждност и бавни, поради което се използват за създаване на архивни копия. Компакт-дисковете са високонадеждни, но от тях само може да се чете. Те се използват за съхраняване и разпространение на потребителски програми. Магнитните ленти са най-бавните запомнящи устройства, но притежават най-голям обем. Използват се за дълбоки архиви.

Външни устройства

Съществува огромно разнообразие по отношение на външните устройства. Те могат да бъдат принтери, плотери, монитори, скенери, звукови карти, мишка, клавиатура. Но могат да бъдат и единични машини, група машини, цели цехове, заводи, група заводи и т.н. За да се включи едно външно устройство към компютър, трябва да се използва подходящ интерфейс. (Думата интерфейс означава съвкупност от стандартизирани технически средства за връзка между компютър и външни устройства.) В него се включва така нареченият контролер и подходящ кабел. Контролерите се поставят в специално предвидени за целта гнезда (слотове). Всеки тип външно устройство изисква специално разработен за него контролер – контролер за монитор, контролер за мишка, контролер за принтер и т.н. По-често използваните контролери обикновено са комбинирани. Често в тях се съдържа и едночипов микрокомпютър.

Принтерът е устройство, предназначено да отпечатва текст върху хартия. С него може да се отпечатват и графични изображения. Характерно е, че работи с малки формати (А4 и А3).

Плотерът е предназначен специално за чертане. При него размерите са значително по-големи и работи с големи формати.

Мониторът служи за визуализиране на информацията. Чрез него изображението може да се редактира до окончателния си вид, а ако е необходимо, след това може да се документира чрез принтер или плотер.

Клавиатурата и мишката служат за управление на компютъра от страна на оператора. Мишката е предназначена за по-бърза работа, но самите програми трябва да бъдат предвидени за работа с мишка.

Скенерът е устройство, предназначено да сканира изображения -чертежи, текстове, снимки и др. Чрез него това изображение се снема точка по точка и се превръща в двоичен код. Така то може да се въведе в компютъра, след което да се изобрази на екрана, да се редактира и накрая да се разпечата.

Звуковата карта превръща компютъра в магнитофон. Чрез нея може звукът се преобразува в цифров код и обратно.

Няколко компютъра могат да се свързват в мрежа за обмен на информация помежду си. Когато мрежата е изградена в рамките на едно помещение или сграда, се нарича локална мрежа. Интерфейсът се осъществява от мрежов контролер. Когато обаче за връзка се използва телефонната мрежа или радиоканал, интерфейсът се осъществява от така наречения модем. Той осигурява съвместяването на канала за връзка с компютъра, както и защитата от смущаващи сигнали в този канал.

За управление на обекти за автоматизация се използват контролери, снабдени с аналого-цифрови и цифрово-аналогови преобразуватели. Някои обекти позволяват управление директно в двоичен код. Това са обикновено такива обекти, които са снабдени със собствен цифров регулатор. За тях такива преобразуватели не са нужни. Други обекти се управляват само с аналогов сигнал, поради което е необходимо това преобразуване.

Централен процесор

Типът на централният процесор е основен фактор за определяне възможностите на даден компютър. Първите персонални компютри работеха с 8 битови процесори и имаха малки възможности. Можеха да адресират до 65_536 клетки от паметта, което прави 64К. (Мерната единица К се нарича често килобайт, но това е неправилно защото К = 1024, а не 1000.) Обемът на външната памет също беше много малък. Появиха се през 1977г.

Компютрите от по-висок клас се появиха през 1981г. В тях се използваше процесор 8088, който е 16 битов. Бяха снабдени с твърд диск до 20М и поддържаха оперативна памет до 1М. Те останаха известни в историята като РС/ХТ. Също 16 битов процесор е 80286, който обаче постави началото на РС/АТ. При тях организацията на работа в самият процесор е по-стегната, тактовата честота се повиши и вместо 4MHz, достигна до 20MHz. Това увеличи повече от 5 пъти бързодействието спрямо РС/ХТ. Обемът на оперативната памет достигна до 16М.

В последствие се премина към 32 битови процесори, при които организацията се усъвършенства още повече. Това се процесорите от типа 80386, които се произвеждаха в две основни модификации – 80386SX и 80386DX. Първите бяха с 16 битова шина за данни и 32 битова вътрешна архитектура, докато вторите са изцяло 32 битови. Бързодействието им се увеличи над 30 пъти в сравнение с РС/ХТ, като тактовата честота достигна до към 50MHz.

В последствие се появиха процесори 80486 от различни модификации. Тактовата честота достигна до 100MHz, а скоростта се повиши от 70 до 150 пъти в сравнение с РС/ХТ. Различните модификации се появиха в резултат на надпревара между фирмите за създаване на все по-съвършен процесор. Сега същият процес се наблюдава при процесорите от тип Пентиум, където се работи с тактови честоти над 200MHz, има 64 битови модификации, а бързодействието им надхвърля 250 пъти това на РС/ХТ. Обемът на поддържаната оперативна памет нарасна много (гигабайти).

Споменатите процесори са предназначени изключително за персонални компютри. Те не са подходящи за изграждане на процесорни системи за управление на механизми и уреди. С такива процесори работят само изключително тясно специализирани специалисти от водещи световни фирми. За целите на автоматиката се наложиха 8 битовите процесори, а когато неговите възможности се окажат недостатъчни, се поставя нормален персонален компютър. Обект на този курс ще бъдат именно програмиране на 8 битовите процесори. Това програмиране се извършва на асемблерен език. При персоналните компютри, програмирането им за целите на управлението също е уместно да става на асемблерен език, но те дават и възможност да се използват и езици от високо ниво.

Сходни статии:

1. Операционни системи, процесори, компютри и оперативна памет Операционната система е сложна програмна система (съвкупност от програми), която служи като интерфейс (посредник, начин на връзка) както между потребителя и хардуера на компютъра, така и между приложните програми и...
2. Описание и технически параметри на компютърна система Централен процесор (CPU) Централният процесор е устройство, което в най-голяма степен определя бързодействието на една компютърна система. Една от най-важните му характеристики е тактовата честота.Тя показва колко такта извършва процесорът...
3. Програмиране на AVR-контролери Програмен модел Аритметическите и логическите операции се изпълняват от така нареченото Аритметично-логическо устройство (АЛУ). То има два входа и един изход. На входовете се въвеждат операндите, а на изхода се...
4. Методи на достъп до преносната среда в компютърните мрежи При мрежите по подобен начин се нуждаем от метод за контрол на достъпа до преносната среда. С различните мрежови архитектури и топологии се асоциират няколко различни метода за достъп. По-долу...
5. Хард дискове, харддискови устройства и интерфейси Хард дискът е устройството, което съхранява по-голяма част от данните на потребителя. Тъй като данните все пак са най-ценното във вашата система, разумно е да се предположи, че харддискът е,...