Процессор – функционально законченное программно-управляемое устройство обработки данных, выполненное в виде одной или нескольких больших (БИС) либо сверхбольших (СБИС) интегральных схем.

В зависимости от набора команд, которые может выполнить процессор над данными – системы команд, различают процессоры с полным набором команд (типа CISC) и с сокращенным набором команд (типа RISC). Система команд CISC-процессоров в настоящее время насчитывает более тысячи различных команд, что позволяет использовать их в универсальных вычислительных системах. Однако на выполнение даже самой короткой команды требуется не менее четырех тактов работы процессора. RISC-процессоры содержат набор только простых, чаще всего встречающихся в программах команд. На выполнение каждой такой команды тратится 1 машинный такт. Однако сложные операции приходится реализовывать последовательностями простейших команд, которые часто оказываются далеко не эффективными. Поэтому RISC-процессоры используются в специализированных вычислительных системах или устройствах, ориентированных на выполнение единообразных операций. Для ПК в последнее время ориентируются на выпуск процессоров, основная часть которых (ядро) выполняется по RISC-архитектуре, а внешняя – по архитектуре CISC.

Функционально процессор состоит из двух частей:

- операционной, содержащей устройство управления, арифметико-логическое устройство (АЛУ) и процессорную память;

- интерфейсной, содержащей адресные регистры процессорной памяти, блок регистров команд, схему управления системной шиной и портами. Регистры – сверхбыстродействующие ячейки памяти. Порт – аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к данному устройству другое устройство.

Упрощенная функциональная схема устройства управления показана на рис. 4.3. В регистре команд хранится код команды. Расположен он в блоке регистров команд интерфейсной части процессора. Дешифратор операций – логический блок, активизирующий в соответствии с поступающим из регистра команд кодом операции (КОП) один из множества имеющихся у него выходов. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микропрограмм хранит в своих ячейках управляющие сигналы (импульсы), необходимые для выполнения в блоках ПК операций обработки информации. Импульс, сформированный дешифратором операций, считывает из ПЗУ микропрограмм необходимую совокупность управляющих сигналов, которая передается через шину (группа проводников) управления во все блоки машины. Узел формирования адреса (находится в интерфейсной части процессора) по адресной части команды и содержимому регистров процессорной памяти вычисляет полный адрес ячейки основной оперативной памяти. По шине адреса передается адрес, указывающий на одну из ячеек основной оперативной памяти. По шине данных происходит копирование данных из основной оперативной памяти в регистры процессора и обратно, а также команд из той же оперативной памяти. 

АЛУ предназначено для выполнения арифметических и логических операций над данными. Функционально АЛУ (рис. 4.4) состоит обычно из двух регистров, сумматора и местного устройства управления (УУ). Сумматор – вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения двоичных чисел. Сумматор имеет разрядность двойного машинного слова. Регистр 1 (Рг1) имеет разрядность двойного слова, а регистр 2 (Рг2) – разрядность слова. При выполнении операций в Рг1 помещается первый операнд, а по завершении операции – результат; в Рг2 – второй операнд.

 Принимать информацию с шины данных могут оба регистра, а выдавать в нее информацию – только Рг1. УУ принимает по шине управления управляющие сигналы от устройства управления процессора и преобразует их в сигналы для управления работой регистров и сумматора. АЛУ выполняет арифметические операции только над целыми двоичными числами. Выполнение операций над числами с плавающей запятой и над двоично-десятичными числами осуществляется с привлечением математического сопроцессора.

Процессорная память имеет небольшую емкость, но чрезвычайно высокое быстродействие (время обращение измеряется наносекундами). Она предназначена для хранения информации, непосредственно участвующей в ближайших вычислениях. Процессорная память состоит из быстродействующих регистров с разрядностью не меньшей машинного слова, которые разделяются на специальные регистры и регистры общего назначения. В специальных регистрах хранятся различные адреса (например, адреса команд), признаки выполнения операций и режимов работы ПК. Большинство из них программно недоступны. Регистры общего назначения, наоборот, программно доступны и используются для хранения любой информации.

Интерфейсная часть процессора предназначена для его связи и согласования с системной шиной ПК, а также для приема, предварительного анализа команд выполняемой программы и формирования полных адресов операндов и команд. Обмен информацией процессора с другими устройствами производится посредством портов ввода-вывода и с помощью схемы управления системной шиной и портами. Всего портов может быть 65536. Каждый порт имеет адрес (номер), соответствующий адресу ячейки памяти, которая является частью устройства ввода-вывода, использующего этот порт, а не частью основной памяти ПК. Порт устройства содержит аппаратуру сопряжения и два регистра памяти, один из которых предназначен для обмена данными, а другой – для обмена управляющей информацией. Некоторые внешние устройства используют и основную память для хранения больших объемов информации, подлежащей обмену. Многие стандартные устройства, как НВП, клавиатура, принтер, имеют постоянно закрепленные за ними порты ввода-вывода. Схема управления системной шиной и портами выполняет следующие функции:

- формирование адреса управляющей информации для порта (переключение порта на прием или передачу и другие);

- прием управляющей информации от порта, информации о готовности порта и его состоянии;

- организацию сквозного канала в системном интерфейсе для передачи данных между портом устройства ввода-вывода и процессором.

Схема управления системной шиной и портами использует для связи с портами все три шины процессора. При доступе к порту процессор посылает сигнал по шине управления, который оповещает все устройства ввода-вывода, что адрес на шине адреса является адресом порта, а затем посылает и сам адрес порта. Устройство, адрес порта которого совпадает, дает ответ о готовности, после чего по шине данных осуществляется обмен данными.

Основная память содержит оперативное (ОЗУ) и постоянное (ПЗУ) запоминающие устройства.

ОЗУ предназначено для хранения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в вычислительном процессе на текущем этапе функционирования ПК. ОЗУ – энергозависимая память: при отключении напряжения питания информация, хранящаяся в ней, стирается. Основу ОЗУ составляют БИС, содержащие матрицы ячеек памяти. Ячейки расположены на пересечении вертикальных и горизонтальных линий матрицы. При обращении к конкретной ячейке памяти соответствующий адрес преобразуется в ОЗУ в электрические импульсы по тем линиям матрицы, которые соединены с выбранной ячейкой. 

Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию, даже когда компьютер выключен. Программы, находящихся в ПЗУ, записывают («зашивают») на этапе изготовления микросхемы. Этот пакет программ образует базовую систему ввода-вывода (BIOS). Основное его назначение состоит в проверке состава и работоспособности компьютерной системы, а также в обеспечении взаимодействия с клавиатурой монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков. Поэтому сразу после включения на адресной шине процессора выставляется всегда один и тот же адрес, указывающий на ПЗУ. Программы, входящие в BIOS, позволяют нам не только наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера, но и вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры.

В ходе работы все программы пользователя и соответствующие данные размещаются в ОЗУ. Таким образом, чем больше емкость ОЗУ, тем реже возникает необходимость обращения к «винчестеру» и, следовательно, выше скорость обработки информации.

Энергонезависимая память CMOS (названа по технологии изготовления) от ОЗУ отличается тем, что ее содержимое не стирается при выключении компьютера, а от ПЗУ – тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно, в соответствии с изменением состава оборудования. Относительно внешних устройств этими данными являются драйверы. Драйвер – специальная программа, управляющая данным внешним устройством ЭВМ и организующая обмен информацией между процессором, ОЗУ и внешним устройством. Таким образом, программы, записанные в BIOS, считывают данные о составе оборудования компьютера из микросхемы CMOS, после чего они могут выполнить обращение к жесткому диску, а в случае необходимости и к гибкому, и передать управление тем программам, которые там записаны.

Микросхема CMOS постоянно подпитывается от небольшого аккумулятора, расположенного на материнской плате. Заряда этого аккумулятора хватает на то, чтобы микросхема не теряла данные, даже если компьютер не будут включать несколько лет.

Системная шина включает в себя:

- шину данных, содержащую электрические проводники и схемы сопряжения (входят в чипсет) для параллельной передачи разрядов операнда или команды;

- шину адреса, включающую электрические проводники и схемы сопряжения (входят в чипсет) для параллельной передачи разрядов адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;

- шину управления, содержащую электрические проводники и схемы сопряжения (входят в чипсет) для передачи управляющих сигналов во все блоки машины;

- шину питания, имеющую электрические проводники и схемы сопряжения (входят в чипсет) для подключения блоков ПК к системе энергопитания.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации: во-первых, между процессором и основной памятью, во-вторых, между процессором и портами ввода-ввода внешних устройств, в-третьих, между основной памятью и портами ввода-ввода внешних устройств. Управляют системной шиной логические устройства микросхем чипсета.

Важнейшими функциональными характеристиками системной шины являются количество обслуживаемых ею устройств и пропускная способность. Пропускная способность (максимально возможная скорость передачи информации) зависит от разрядности шины и тактовой частоты, на которой шина работает.

Периферийные устройства ПК

Периферийные устройства обеспечивают гибкость и универсальность ПК. По назначению периферийные устройства можно разделить на устройства ввода, вывода, хранения и обмена данными.

4.4.1. Устройства ввода данных.

Основным устройством ввода символьных данных является клавиатура. Эффективность процесса ввода зависит от формы клавиатуры и раскладки ее клавиш. Клавиатуры, имеющие специальную форму, рассчитанную с учетом требований эргономики, называют эргономичными клавиатурами. Они, во-первых, повышают производительность наборщика и снижают общее утомление в течение рабочего дня. Во-вторых, снижают вероятность и степень развития ряда заболеваний (туннельного синдрома кистей рук, остеохондроза верхних отделов позвоночника и других). В настоящее время существуют и образцы клавиатур с оптимизированной раскладкой. Однако практическое их внедрение затруднено в связи с необходимостью специального обучения.

Среди устройств командного управления, кроме обычной мыши, существуют и другие типы манипуляторов:

- трекбол, который устанавливается стационарно и его шарик приводится в движение ладонью руки;

- пенмаус представляет собой аналог шариковой авторучки, на конце которой установлен узел, регистрирующий величину перемещения;

- проводная и беспроводная инфракрасная мышь, у которой отсутствует шарик;

- для компьютерных игр применяют манипуляторы рычажно-нажимного типа (джойстики) и аналогичные им джойпады, геймпады и штурвально-педальные устройства.

Для ввода графической информации используют сканеры, графические планшеты и цифровые фотокамеры. Нелишне отметить, что с помощью сканеров можно вводить и символьную информацию. В этом случае исходный материал вводится в графическом виде, после чего обрабатывается специальной программой распознавания образов.

Конструктивно сканеры бывают:

-  планшетные, принцип действия которых состоит в том, что луч света, отраженный от поверхности материала, фиксируется специальными элементами, называемыми приборами с зарядной связью (ПЗС). Обычно элементы ПЗС конструктивно оформляются в виде линейки, располагаемой по ширине исходного материала. Перемещение линейки относительно листа бумаги выполняется механическим протягиванием линейки при неподвижном листе или листа при неподвижной линейке. Типичная разрешающая способность для офисного применения 600-1200 dpi (dpi – количество точек на дюйм);

- ручные сканеры по принципу действия аналогичны планшетным. Разница лишь в том, что протягивание линейки ПЗС в данном случае выполняется вручную. Равномерность и точность сканирования при этом неудовлетворительные. Кроме того, разрешающая способность составляет 150-300 dpi;

- барабанные, в которых исходный материал закрепляется на цилиндрической поверхности барабана, вращающегося с высокой скоростью. Устройства этого типа обеспечивают наивысшее разрешение (2400-5000 dpi) благодаря применению не ПЗС, а фотоэлектронных умножителей. Их используют для сканирования высококачественных изображений (фотонегативов, слайдов и т.п.);

- сканеры форм предназначены для ввода данных со стандартных форм, заполненных механически или «от руки». Сканеры форм не обладают высокой точностью сканирования, но характеризуются высоким быстродействием;

- штрих-сканеры предназначены для ввода данных, закодированных в виде штрих-кода.

Графические планшеты (дигитайзеры) предназначены для ввода художественной графической информации. Существует несколько различных принципов действия графических планшетов, но в основе всех их лежит фиксация перемещения специального пера относительно планшета.

Цифровые фотокамеры воспринимают графические данные с помощью ПЗС, объединенных в прямоугольную матрицу. Наилучшие потребительские модели обеспечивают разрешение изображения до 800´1200 точек, а у профессиональных моделей еще выше.

4.4.2. Устройства вывода данных.

Помимо монитора используются печатающие устройства (принтеры), позволяющие получать копии документов на бумаге или прозрачном носителе. По принципу действия различают матричные, лазерные, светодиодные и струйные принтеры.

Матричные принтеры выводят данные на бумагу в виде оттиска, образующегося при ударе цилиндрических стержней («иголок») через красящую ленту. Качество печати зависит от количества иголок в печатающей головке. Так, 24-игольчатые матричные принтеры по качеству документов не уступают пишущей машинке.

Лазерные принтеры по качеству печати не уступают, а во многих случаях и превосходят полиграфическое. Модели среднего класса обеспечивают разрешение печати до 600 dpi, а профессиональные модели – до 1200 dpi. Принцип действия лазерных принтеров заключается в следующем:

- в соответствии с поступающими данными лазерная головка испускает световые импульсы, которые отражаются от зеркала и попадают на поверхность светочувствительного барабана. При этом горизонтальная развертка изображения выполняется вращением зеркала;

- участки поверхности светочувствительного барабана, получившие световой импульс, приобретают статический заряд;

- барабан при вращении проходит через контейнер, наполненный красящим составом (тонером), и тонер закрепляется на участках, имеющих статический заряд;

- при дальнейшем вращении барабана происходит контакт его поверхности с бумажным листом, в результате чего тонер переносится на бумагу;

- лист бумаги с нанесенным на него тонером протягивается через нагревательный элемент, вследствие чего частицы тонера спекаются и закрепляются на бумаге.

Светодиодные принтеры по принципу действия похожи на лазерные. Разница заключается в том, что источником света является линейка светодиодов. Поскольку эта линейка расположена по всей ширине печатаемой страницы, отпадает необходимость в механизме формирования горизонтальной развертки и вся конструкция получается проще, надежнее и дешевле. Типичная величина разрешения печати составляет порядка 600 dpi.

В струйных принтерах изображение на бумаге формируется из пятен, образующихся при попадании микрокапель красителя на бумагу. Их выброс происходит под давлением, которое развивается в печатающей головке за счет парообразования. В некоторых моделях капля выбрасывается щелчком в результате пьезоэлектрического эффекта (форма капли более стабильна и близка к сферической). Механическая часть струйных принтеров проста и надежна, однако получаемое разрешение нестабильно, что ограничивает возможность их применения в черно-белой полутоновой печати. В то же время струйные принтеры нашли очень широкое применение в цветной печати. Благодаря простоте конструкции они намного превосходят цветные лазерные принтеры по показателю качество/цена. При разрешении выше 600 dpi они позволяют получать цветные оттиски, превосходящие по качеству цветные отпечатки, получаемые фотохимическими методами. Цена струйных принтеров заметно ниже, чем лазерных, однако стоимость печати одного оттиска на них может быть в несколько раз выше.

4.4.3. Устройства внешнего хранения данных.

По типу конструкции все устройства внешней памяти разделяются на ленточные и дисковые.

Из ленточных накопителей в ПК используются только накопители на кассетной магнитной ленте. Емкость магнитных кассет (картриджей) не превышает 2 Гбайт. Лентопротяжные механизмы для картриджей называются стримерами. Стримерам характерна малая производительность, недостаточная надежность и низкая стоимость. Поэтому накопители на магнитной ленте используются лишь для резервного копирования и архивирования информации с жестких дисков.

Дисковые накопители по типу носителя разделяются на магнитные, оптические и магнитооптические накопители. Носитель – материальный объект, способный хранить информацию. Логическая структура диска включает дорожки сектора и кластеры. Вдоль дорожек (концентрических окружностей) записывается и считывается информация. Каждая дорожка разбита на сектора, в каждом из которых может быть помещено обычно 512 байт. Один или несколько смежных секторов дорожки объединяются в кластер, который является минимальной единицей размещения информации на диске.

Накопитель на гибком магнитном диске (флоппи-диск, дискета) конструктивно изготовляется из гибкого пластика (лавсана), покрытого ферролаком (магнитный слой), и помещается в футляр-конверт. Режим запрета записи устанавливается специальным переключателем (положение вверх), расположенным в одном из углов футляра. Дискета может иметь тефлоновое покрытие (например, Verbatim), которое предохраняет магнитный слой от грязи, пыли, воды, жира. Каждую новую дискету вначале следует отформатировать. Форматирование – это создание структуры записи информации на поверхности дискеты: разметка дорожек, секторов, записи маркеров и другой служебной информации. Для 3,5" диска число дорожек 80, на каждой дорожке 18 секторов и 9 или 18 кластеров. Емкость дискеты 1,44 Мбайт.

Неперезаписываемые оптические диски (CD-ROM) предполагают однократную запись информации лазерным лучом большой мощности, который оставляет на активном слое диска дорожку с микроскопическими впадинами. Таким образом, создается первичный «мастер-диск». Тиражирование CD-ROM по «мастер-диску» выполняется путем литья под давлением. Емкость CD-ROM может достигать 1,5 Гбайт. На перезаписываемых оптических дисках с однократной (CD-R) и многократной (CD-Е) записью лазерный луч непосредственно в дисководе (устройство для чтения и записи информации) компьютера при записи прожигает микроскопические углубления на поверхности диска под защитным слоем. Дисководы CD-Е способны читать и обычные CD-ROM. Перспективными являются оптические диски с высокой плотностью записи (DVD). Информация размещается на одной или на обеих сторонах, в одном или в двух слоях. Двухсторонние двухслойные диски позволяют хранить до 17 Гбайт информации в формате MPEG.

Перезаписываемые магнитооптические диски (СС-Е) используют лазерный луч для местного разогрева активного слоя диска при записи информации магнитной головкой. Считывание информации выполняется лазерным лучом меньшей мощности, отраженный луч которого на несколько градусов изменяет свое направление в зависимости направления намагниченного участка активного слоя. Магнитооптические диски с однократной записью (CC-WORM) отличаются от обычных магнитооптических накопителей лишь тем, что в них на контрольные дорожки диска наносятся специальные метки, предотвращающие стирание и повторную запись на диск. Емкость магнитооптических дисков достигает 5,2 Гбайт.

В ПК используются также диски с высокой плотностью записи, на поверхности которых для более точного позиционирования магнитной головки используется лазерный луч. К таким накопителям относятся:

· флоптические диски – выполняют обычную магнитную запись информации, но со значительно большей плотностью размещения дорожек на поверхности диска. Такая плотность достигается ввиду наличия на дисках специальных нанесенных лазерным лучом серводорожек, служащих при считывании/записи базой для позиционирования лазерного луча, и соответственно магнитной головки, жестко связанной с лазером. Стандартная емкость флоптического диска 20,8 Мбайт;

· диски сверхвысокой плотности записи (VHD) – используют кроме лазерного позиционирования еще и специальные дисководы, обеспечивающие иную технологию записи/считывания: «перпендикулярного» способа записи вместо обычного «продольного». Емкость таких дисков достигает 10,5 Гбайт.

Программное обеспечение ПК