Логические операции. Базовая конфигурация PC. Внутренние устройства. Устройства, располагаемые на материнской плате. Шинные интерфейсы. Периферийные устройства PC

Лекция 5. Логические операции. Базовая конфигурация PC. Внутренние устройства. Устройства, располагаемые на материнской плате. Шинные интерфейсы. Периферийные устройства PC

Логические операции

В компьютерных программах используются операции:

1. И (пересечение или конъюнкция - A^B). В программном коде обозначается, как And, а в функциональных схемах, как знак &.

Трактуется, как: Если и A, и B имеют значение, то результат True.

Конъюнкция A^B Обозначение на схемах:

A

A^B

B

Таблица истинности

A	B	A^B
0	0	0
1	0	0
0	1	0
1	1	1

1. ИЛИ (объединение или дизъюнкция - AvB). В программном коде обозначается, как Or, а в функциональных схемах, как знак 1.

Трактуется, как: Если имеется A или B или оба, то результат True.

Дизъюнкция AvB Обозначение на схемах:

A

AvB

B

Таблица истинности

A	B	AvB
0	0	0
1	0	1
0	1	1
1	1	1

1. 
   НЕ (инверсия или отрицание - |A). В программном коде обозначается, как Not, а в функциональных схемах обозначается кружком на выходе элемента схемы. Трактуется, как если A имеет значение, то результат False, если A отсутствует, то результат – True.

Инверсия |E1 Обозначение на схемах:

A |A

Таблица истинности

A	|A
0	1
1	0

1. Исключающее ИЛИ. В программном коде обозначается, как Xor, а формула функции записывается, как (A*|B+|A*B) или сложение по модулю 2.

Трактуется, как: Если есть только A или только B, то результат – True.

Исключающее ИЛИ

= (A*|B+|A*B) Таблица истинности

A	B	A*|B+|A*B
0	0	0
1	0	1
0	1	1
1	1	0

1. Импликация (вовлечение – A Imp B). В программном коде обозначается, как Imp: если A – False, а B – True, то результат False. В остальных случаях результат - True. Эта операция называется операцией вовлечения трактуется, как: "Если …, то…".

Пример: "Если у фигуры все стороны равны, то это – квадрат".

Импликация: A Imp B Таблица истинности (A Imp B) или (|A v B)

A	B	A Imp B
1	1	1	Верно для квадрата
1	0	1	Верно для ромба
0	0	1	Верно для любой фигуры
0	1	0	Неверно

Примеры работы с двоичной логикой

Применение логической операции And для двух чисел: 14 And 6 = 6

Двоичные разряды	3	2	1	0	Результат в десятичной системе
Значение разрядов	23	22	21	20
Выражение А	1	1	1	0	14
Выражение B	0	1	1	0	6
Выражение A And B	0	1	1	0	6

Применение логической операции Or для двух чисел: 14 Or 6 = 14

Разряды	3	2	1	0	Результат в десятичной системе
Значение разрядов	23	22	21	20
Выражение А	1	1	1	0	14
Выражение B	0	1	1	0	6
Выражение A Or B	1	1	1	0	14

Применение логической операции Xor для двух чисел: 14 Xor 6 = 8

Разряды	3	2	1	0	Результат в десятичной системе
Значение разрядов	23	22	21	20
Выражение А	1	1	1	0	14
Выражение B	0	1	1	0	6
Выражение A Xor B	1	0	0	0	8

Законы алгебры логики

Примечание: знак конъюнкции – это ^ или *; знак дизъюнкции – это v или +;

знак инверсии – это вертикальная (|) или горизонтальная черта над символом.

Базовая конфигурация PC

В базовой конфигурации PC рассматривают 4 основных устройства: системный блок, монитор, клавиатура, графический манипулятор ("мышь").

Системный блок представляет собой основной узел, в котором установлены наиболее важные устройства. Они называются внутренними устройствами.

Устройства, подключаемые снаружи называют внешними (мышь, клавиатура). Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода-вывода и длительного хранения данных называют также периферийными.

По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса:

• горизонтальное исполнение (desktop, slim (особо плоские));
• вертикальное (minitower, middletower, bigtower);

Кроме того, корпуса различаются форм-фактором: AT, ATX. От форм-фактора зависят требования, предъявляемые к внутренним устройствам, особенно к материнской плате. Корпуса поставляются вместе с блоком питания с мощностью 300 – 600 Вт.

Мониторы на базе электронно-лучевой трубки имеют основные потребительские параметры:

• размер экрана (14 – 21 дюйм);
• шаг маски (0,24 – 0,27 мм);
• разрешение экрана монитора составляет от 600 х 800 до 1440 х 1900 точек и выше;
• максимальная частота регенерации изображения (60 – 160 Гц, нормальная – 85 Гц);
• класс защиты (международные стандарты ТСО-99 … ТСО-03).

В стандартах устанавливаются нормы по яркости, контрастности, мерцанию, электромагнитному излучению и т. п.).

В настоящее время в качестве мониторов всё более используются жидко-кристаллические панели LCD (Liquid Crystal Display) по технологии TFT (Thin-Film Transistor) – плоская конструкция мониторов - выполняются в размере экрана 15, 17, 19, 21 и 24 дюйма, шаг маски – от 0,25 до 0,3 мм, разрешение экрана от 1024 х 1280 до 1200 х 1920 точек.

Клавиатура (обычно - 104 клавиши) служит для ввода алфавитно-цифровых данных и команд управления PC, подключается к последовательному порту. Она имеет группу функциональных клавиш (от F1 до F12), функции которых зависят от свойств конкретной работающей программы.

Мышь или графический манипулятор - имеет два основных типа: контактный и бесконтактный (оптический). Может иметь, кроме 2-х кнопок, колесо прокрутки, увеличивающее производительность работы. Мышь подключается к последовательному порту и работает с поддержкой драйвера мыши.

Комбинация монитора и мыши обеспечивает наиболее удобный, графический тип пользовательского интерфейса. С помощью мыши пользователь изменяет свойства объектов, видимых на экране и приводит в действие элементы управления системой, а с помощью монитора получает от нее отклик в графическом виде.

В настоящее время распространены также беспроводные модели, как клавиатуры, так и мыши, использующие инфракрасную связь.

Внутренние устройства PC

В системном блоке располагаются:

1. Материнская плата – основная плата PC, на ней размещены:

• процессор – основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций;
• чипсет - микропроцессорный комплект или набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств ПК и определяющих основные функциональные возможности материнской платы;
• ОЗУ – оперативное запоминающее устройство (256 – 4096 МБ);
• ПЗУ – микросхема, предназначенная для длительного хранения данных, когда PC выключен;
• ППЗУ – полупостоянное запоминающее устройство;
• порты – устройства для подключения периферийных устройств;
• шины – наборы проводников или устройства, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;
• слоты - разъемы для подключения дополнительных устройств.

1. Накопитель на жестком диске (HDD) или жесткий диск - скорость вращения 7200 об/мин и более, работой управляет контроллер HDD, который выполнен на микросхеме, входящей в чипсет. Емкость HDD – от 80 до 500 ГБ и более.

Среднее время доступа для HDD (со скоростью 7200 об/мин) – от 7 до 8 мс. Более высокопроизводительные HDD обеспечивают время доступа – 5 – 6 мс.

Встроенная оперативная память HDD современных жестких дисков (кэш жесткого диска) составляет от 8 MБ и более. Кэш позволяет не только увеличить скорость работы HDD, но и продлевает его срок службы.

Производительность HDD зависит от характеристик интерфейса связи с материнской платой: от 50 MБ/с и более для с интерфейсов типа IEEE 1394, до 80 MБ/с - для интерфейса типа SCSI и от 100 до 300 MБ/с – для современных интерфейсов типа Serial ATA.

1. Дисковод гибких магнитных дисков (Floppy disc)

Ёмкость дискеты составляет 1, 44 МБ. При хранении данных на дискете число копий для надёжности должно быть не менее 2. В настоящее время практически не используется.

1. Дисководы компакт-дисков (за единицу скорости чтения данных принята скорость 150 КБ/с):
   • CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) – скорость чтения от 32х до 52х, ёмкость CD-ROM – 700 MБ;
   • CD-ReWriter - пишущий дисковод CD (скорость до 32х);
   • DVD-ROM – дисковод, обеспечивающий чтение в 2 раза и более плотной записи; скорость чтения – до 48х, ёмкость одностороннего DVD-ROM – 4,7 ГБ, двухстороннего – 9,4 ГБ;
   • DVD-ReWriter пишущий DVD, скорость записи - до 32х;
   • Blu-Ray – дисковод, обеспечивающий работу с однослойными BD-дисками ёмкостью до 27 ГБ и с двухслойными – до 50 ГБ.
2. Видеокарта (видеоадаптер) - выполняется в виде отдельной платы, вставляемой в материнскую плату. В режиме High Colour (16 разрядов) - максимальная глубина цвета -256 оттенков, стандартная работа - в режиме True Colour (32 разряда), обеспечивающем более 16,5 млн. оттенков цвета.

Видеоадаптеры SVGA обеспечивают режим True Colour при разрешении монитора от 800х600 до 1280х1024 и даже 1920х1200 точек. Для 17-дюймового монитора на электронно-лучевой трубке оптимальное разрешение - 1024х768.

Оперативная память видеоадаптеров - от 128 до 1024 МБ, что обеспечивает высокопроизводительную работу при трехмерной (3D) графике.

Используются два типа видеоускорителей: плоской (2D) и трехмерной (3D) графики. Видеоускорение – свойство, заключающееся в том, что часть операций по построению изображений происходит непосредственно в микросхемах видеоускорителя без вычислений в процессоре.

Видеоадаптеры, как правило, обеспечивают возможность подключения телевизора для просмотра компьютерной видеоинформации.

1. Звуковая карта. Основными параметрами карты (адаптера) являются: разрядность и частота семплирования, что определяет качество преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму и наоборот. Чем больше разрядность и частота, тем меньше погрешность, связанная с оцифровкой звука и выше качество звучания. Стандартом установлена разрядность 24 бита и частота семплирования 96 кГц.

В настоящее время звуковые карты, как правило, бывают встроенными в материнскую плату, но выпускаются также и как отдельные платы звуковые платы, которые могут иметь разрядность 32 и более бит.

Как отдельная плата звуковая плата устанавливается на материнскую плату в слоты ISA (устаревший формат) или РСI (современный формат). Когда звуковая плата установлена, на задней панели корпуса компьютера имеются порты для подключения, наушников, микрофона, выходов других звуковоспроизводящих устройств.

1. Сетевая карта (сетевой адаптер) – предназначен для работы в локальной сети и в интернете со скоростью от 10 до 100 Мбит/с и более.

Устройства, располагаемые на материнской плате

1. Оперативная память (RAM – Random Access Memory).

С физической точки зрения различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM).

Динамическая память – это основной вид оперативной памяти (ОЗУ) компьютера, наиболее распространенный и экономически доступный вид, но она требует перезаписи (регенерации данных) миллионы раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов системы.

Каждая ячейка памяти (байт) имеет свой адрес. Адресация в процессорах Intel Pentium – 32-разрядная, т. е. можно создать до 232 (до 4,3 миллиарда адресов) или обратиться к полю памяти до 4,3 ГБ.

В компьютерах применяются модули оперативной памяти от 128 до 2048 МБ: однорядные (SIMM) и двухрядные (DIMM). Время доступа в современной ОЗУ – от 10 до 7 наносекунд и менее. При увеличении ёмкости оперативной памяти в 2 раза производительность компьютера возрастает на 75%.

Статическая память, в ячейках которой в отличие от динамической памяти, хранится не заряд, а состояние (вкл. – выкл.), выполняется на триггерах.

Триггер — электронная схема, применяемая для длительного хранения одного разряда двоичного кода (1 bit). Он имеет два устойчивых состояния, одно из которых соответствует единице, а другое — нулю.

Схема асинхронного триггера на элементах 2И-НЕ

Статическая память не требует большого времени на перезапись и обеспечивает в десятки раз большее быстродействие, но сложнее и дороже.

Она используется в качестве дополнительной (кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы PC и составляет от нескольких сот килобайт до единиц мегабайт.

1. Процессор, внутренние ячейки которого называются регистрами.

Данные, поступающие в некоторые специальные регистры процессора, становятся адресами или командами, модифицируются в нем, в результате чего процессор обеспечивает управление работой PC.

С устройствами компьютера регистры процессора связаны с помощью шин, которых соответственно три типа:

- шина данных;

- адресная шина;

- командная шина.

Шина данных обеспечивает передачу данных из ОЗУ в процессор и обратно и имеет 64 разряда, или на обработку одновременно поступает 8 байтов данных.

Адресная шина Intel Pentium имеет 32 разряда (при файловой таблице адресов FAT 32).

Командная шина обычно имеет 32 разряда, но в настоящее время существуют 64-разрядные и даже 128-разрядные командные шины.

Совместимость процессоров заключается в том, что должны быть одинаковыми или близкими системы команд.

Процессоры могут иметь расширенную и сокращенную систему команд.

Процессоры Intel Pentium имеют расширенную систему (более 1000 команд). Это CISC-процессоры (Complex Instruction Set Computing). Они применяются в основном для универсальных вычислительных машин.

В середине 80-х появились процессоры с сокращенной системой команд RISC (Reduced Instruction Set Computing). Так как команд меньше, каждая из них выполняется процессорами много быстрее. Однако при необходимости выполнение сложных команд достигается путём эмулирования их последовательностью простых команд. Скорость выполнения команд в этом случае соответственно падает. Такие процессоры используются в специализированных системах.

Группы процессоров, имеющих ограниченную совместимость, рассматривают как семейства процессоров. Например, все процессоры Intel Pentium относятся к семейству х86. Родоначальником был 16-разрядный процессор Intel 8086, на базе которого создавалась первая модель компьютера IBM PC (PC XT) в 1983 г.

Затем были выпущены компьютеры PC AT с процессорами Intel 80286 (1985 г.), Intel 80386, Intel 80486, Intel Pentium 60, 66, 75, 90, 100, 120, 133, 166, 200, 233 . Более поздняя линейка процессоров: Intel Pentium MMX, Intel Pentium Pro, Intel Pentium 2, Intel Pentium 3.

В настоящее время выпускаются: Intel Pentium 4, Intel Celeron, Intel Core 2 Duo, Intel Core 2 Extreme, Intel Core i7 и Intel Atom.

Все эти модели, а также процессоры фирм AMD (Athlon X2 Dual-Core, Phenom X4 Quadro-Core) и VIA (VIA Nano) также относятся к семейству х86 и обладают совместимостью по принципу "сверху вниз".

Основные параметры процессоров: рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти.

Если ранние модели процессоров имели рабочее напряжение 5 В, то в настоящее время оно составляет менее 1,5 В.

Современные процессоры, начиная с 80386, имеют 32-разрядную архитектуру и имеют максимальную частоту до 3,6 ГГц.

Тактовая частота сигналов от материнской платы, передаваемая через шины, составляет в настоящее время из-за физических ограничений 100 -133 МГц.

Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение тактовой частоты в 3 – 6 раз и более. С учетом внутреннего умножения рабочая тактовая частота процессора составляет 533 - 800 МГц и более (до 1333 МГц).

Созданные к настоящему времени, так называемые "двухъядерные" процессоры (Intel Core 2 Duo), позволяют значительно повысить частоту обработки данных. В частности, процессор Core 2 Duo со штатной частотой 1,86 ГГц обеспечивает частоту обработки более 3 ГГц.

1. Кэш-память процессора

Для ускорения работы (уменьшения количества обращений к сравнительно "медленной" оперативной памяти) внутри процессора создают на базе статического типа памяти так называемую "кэш-память". Чем больше кэш-память, тем больше производительность процессора (от 16 до 128 КБ). Это - кэш-память первого уровня.

Кэш-память второго уровня исполняется, как правило, на отдельном кристалле и работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора и имеет емкость от 512 КБ до 4 МБ.

Кэш-память первого и второго уровня работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора. Наличие такой памяти ёмкостью 256 КБ увеличивает производительность компьютера на 20%.

Кэш-память третьего уровня выполняют также на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещают на материнской плате вблизи процессора. Ее объемы могут достигать нескольких Мбайт, но работает она на частоте материнской платы.

Кэш-память третьего уровня выполняется на микросхемах типа SRAM и размещается на материнской плате. Ее размер также может достигать нескольких МБ, но работает она на частоте материнской платы.

1. Микросхема ПЗУ и базовая система BIOS (Basic Input Output System) используется при загрузке компьютера для его тестирования и передачи управления оперативной системе.
2. Энергонезависимая память CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) - комплементарная структура метал - оксид - полупроводник (КМОП-структура). Для сохранения изменяемых программ BIOS необходимо питание (батарея или аккумулятор).
3. Шинные интерфейсы

Связь между всеми собственными и подключаемыми устройствами материнской платы обеспечивают ее шины и логические устройства, размещенные в микросхемах микропроцессорного комплекта (чипсета). Основные современные шины:

• шина ISA (Industry Standard Architecture), связывающая все устройства системного блока (пропускная способность шины – 5,5 МБ/с. В настоящее время используется только для подключения "медленных" внешних устройств (модемов);
• шина PCI (Peripheral Component Interconnect) – стандарт подключения внешних компонентов – введен в PC, выполненных на базе Intel Pentium. Это тоже интерфейс локальной шины, связывающей процессор с ОЗУ, в которую врезаны разъемы для подключения внешних устройств. Поддерживает частоту 33 – 100 МГц и обеспечивает пропускную способность более 132 МБ/с;
• шина FSB (Front Side Bus) – применяется, начиная с процессора Intel Pentium Pro для связи процессора с ОЗУ (при этом шина PCI используется только для подключения внешних устройств). Работает на частоте 100, 133, 533, 800, 1060 и даже 1333 МГц. Частота шины – один из основных потребительских параметров материнской платы. В частности, пропускная способность на частоте 100 МГц составляет около 800 МБ/с;
• шина USB (Universal Serial Bus) – универсальная последовательная магистраль – обеспечивающая подключение до 257 внешних устройств, имеющих последовательный интерфейс. Производительность шины – до 12 Мбит/с. Достоинство шины в том, что она практически исключает конфликты между различными видами оборудования, позволяет подключать и отключать устройства в "горячем" режиме и объединять компьютеры в локальную сеть без применения спецоборудования и программного обеспечения.

Типовая структурная схема компьютера представлена на рисунке:

Ядро компьютера образуют: процессор (центральный микропроцессор) и основная память, состоящая из оперативной памяти и постоянного (ПЗУ) или перепрограммируемого (ППЗУ) запоминающего устройства .

Подключение внешних устройств: клавиатуры, монитора, накопителей на жёстких и гибких дисках (НЖМД и НГМД), мыши, принтера и локальной сети обеспечивается через контроллеры и адаптеры (карты).

Контроллеры и адаптеры имеют в своём составе процессоры и память, т. е. представляют собой специализированные процессоры.

Периферийные устройства

К периферийным устройствам PC относятся устройства:

• ввода данных;
• вывода данных;
• хранения данных;
• обмена данными.

Устройства ввода знаковых данных - клавиатуры. По методу подключения различают проводные и беспроводные (инфракрасная связь) клавиатуры. Клавиатуры могут иметь специальную форму, учитывающую требования эргономики. Они облегчают ввод данных и снижают утомление пользователя.

Устройства ввода команд: мышь проводная (контактная и бесконтактная (оптическая)); инфракрасная мышь; джойстики (манипуляторы рычажного типа); трекбол (стационарный шар, для работы в notebook), сенсорные экраны и т. п.

Устройства ввода графических данных:

• планшетные сканеры, имеющие разрешение от 600 до 1200 dpi, профессиональные - от 1200 до 3000 dpi (dots per inch) и более;
• барабанные сканеры (фотоумножители) - от 2400 до 5000 dpi, применяются для сканирования изображений имеющих высокое качество (слайды, негативы);
• штрих-сканеры (для торговых организаций);
• графические планшеты (дигитайзеры) для ввода художественной информации;
• цифровые фотоаппараты (от 600 до 1500 dpi и более);
• цифровые видеокамеры (от 300 до 1000 dpi и более).

Устройства вывода данных:

• матричные, светодиодные (разрешение - до 600 dpi) и струйные (600 dpi, цветные -более 600 dpi) принтеры;
• лазерные принтеры, разрешение - от 600 до 1800 dpi и память от 1 до 16 МБ, от 1 до 16 МБ, производительность 10 - 20 ppm (ppm – page per minute (страниц в минуту)) и более;
• плоттеры (для печати географических карт и т. п.).

Устройства хранения данных:

• мобильная память (на базе флэш-технологии) от 128 MБ до 32 ГБ;
• компакт-диски: CD-ROM (RW) – до 800 ГБ, DVD-ROM (RW) – до 9.4 ГБ, BD (Blu Ray Disc) – до 50 ГБ;
• стримеры - накопители на магнитной ленте (несколько сот МБ);
• ZIP-накопители - 200 МБ и более - (формат дискеты);
• накопители JAZ (аналогичны накопителям ZIP, по емкости - от 1 до 2 ГБ);
• магнитооптические устройства (имеют широкое распространение из-за своей универсальности, применяются для резервного копирования, но очень дорогие). В этом направлении совершенствуются и 3,5" накопители (для технологии GIGAMO емкость – до 1,3 ГБ).

Устройства обмена данными

• аналоговые модемы – до 56 Кбит/с (телефонная линия);
• цифровые беспроводные модемы (3G и 4G) от 10 до 100 Мбит/с;
• сетевые адаптеры – от 100 Мбит/с до 1 - 3 Гбит/с.

PAGE \* MERGEFORMAT 11

&

1

1

&

Логические операции. Базовая конфигурация PC. Внутренние устройства. Устройства, располагаемые на материнской плате. Шинные интерфейсы. Периферийные устройства PC