Інформатика - базовий курс (Авторський колектив)

Принципи функціонування сучасних комп’ютерів

Сформулюємо і коротко пояснимо принципи функціонування сучасних комп’ютерів.

Принцип двійкового кодування полягає в тому, що всі дані подаються у вигляді двійкових кодів.

Принцип програмного керування полягає в тому, що всі операції з оп­рацювання даних здійснюються відповідно до програм і ці програми розміщуються в пам’яті комп’ютера.

Принцип адресності полягає в такій організації пам’яті комп’ютера, при якій процесор може безпосередньо звернутись до даних, розміщених у будь-якій частині пам’яті. При цьому кожна мінімальна частина пам’яті (комірка пам’яті) має унікальне ім’я - адресу.

Принцип однорідності пам’яті полягає в тому, що всі дані, у тому числі й програми зберігаються в одному і тому самому запам’ятовуючому пристрої.

З часом принципи побудови комп’ютера розвивалися, набували нового змісту, доповнювалися. Так, в ході розробки комп’ютерів у кінці 70-х років ХХ ст. і особливо під час створення першого персонального комп’ютера корпорації ІВМ, так званого ІВМ РС (1981 р.), був сформульований магістрально-модульний принцип, який передбачає що:

• дані між окремими пристроями комп’ютера передаються по єдиній магістралі - системній шині, в якій виділяють три окремі шини: шину даних, шину команд і шину адрес;
• комп’ютер складається з окремих блоків - модулів, кожен з яких виконує певні функції. Це дає змогу звести модернізацію або ремонт комп’ютера до заміни окремих модулів. Так, можна замінити процесор, блоки пам’яті, монітор на аналогічні або на пристрої з покращеними зна­ченнями властивостей.

Комп’ютери, які працюють на основі зазначених принципів, мають так звану фон-нейманівську архітектуру.

Історія мікропроцесорів

Перший мікропроцесор ІпіеІ-4004 (рис. 2.7) був створений фірмою ІпіеІ у 1971 р. і почав широко використовуватись у калькуляторах. Процесор був 4-розрядний і міг виконувати 45 команд.

У 1974 р. була створена модель 8-розрядного мікропроцесора ІпіеІ-8080, який став основою для розробки перших персональних комп’ютерів (комп’ютер АІіаіг8800 компанії МІТ5). Він виконував більш як 250 команд.

Удосконалений 16-розрядний мікропроцесор з’явився у 1978 р. Ставши базою для створення першого персонального комп’ютера фірми ІВМ, ці мікропроцесори набули широкого розповсюджен­ня і започаткували 80x86 серію (80286, 80386, 80486) мікропроцесорів корпорації Іпіеі. Цю серію продовжили у 1993 р. процесори типу Репііит (по­чаткова назва ІпіеІ-80586). У 1999 р. для недорогих комп’ютерів було розпочато випуск процесорів Сеіегоп. У 2000 р. вперше з’явився процесор Репііит 4. З 2006 р. розпоча­то виробництво багатоядерних процесорів Іпіеі СОРЕ.

Серед фірм-виробників мікропроцесорів, таких як АМ^, VIА ТесНпоІоду, Тгапзтеіа, ІВМ, МоіогоІа та інших, тільки АМ^ склала гідну конкуренцію лідеру - ІпіеІ. Моделі мікропроцесорів АМ^ - спочатку К5 та К6, потім АіНІоп, ^и^оп і Зетргоп, а зараз РНепот - з успіхом конкурують з різними типами мікропроцесорів фірми ІпіеІ для персональних комп’ютерів.

Для порівняння наводимо таблицю значень основних властивостей першого і сучасного мікропроцесорів.

Пам’ять комп’ютера

Дані в постійну пам’ять заносяться при її виготовленні. Розрізняють мікросхеми постійної пам’яті без можливості перепрограмування і з мож­ливістю багаторазового перепрограмування. За потреби користувач може замінити мікросхему постійної пам’яті або виконати її перепрограмування.

Перший пристрій для зберігання даних на жорстких магнітних дисках був розроблений корпорацією ІВМ (англ. International Business Machines Corporation - міжнародна корпорація машин для бізнесу) у 1956 р. під керівництвом Рейнольда Джонса. Модель, що була використана в комп’ю­тері RAMAC 350, називалася 350 Disk File, мала 50 дисків діаметром 24 дюйми і ємність - близько 5 Мбайт. Пристрій був розміром як велика шафа для одягу і мав вартість близько 50 тис. доларів.

Серед наступних моделей жорстких дисків виробництва ІВМ широкого розповсюдження набула модель з маркуванням 30/30 (1973 р.), що збігло­ся з маркуванням рушниці «вінчестер». За аналогією жорсткі магнітні диски стали називатися «вінчестерами». Назва прижилася і навіть у науковій літе­ратурі доволі часто використовують термін «вінчестер» для позначення пристроїв для збереження даних на жорстких магнітних дисках.

Пам’ять на магнітних стрічках реалізована, як і попередні два види, за допомогою магнітного способу запису, зберігання і зчитування даних. Носієм даних є магнітна стрічка, яка поміщена в жорсткий футляр - касету. Ємність становить від 4 до 40 Гбайт і більше.

Пристроєм зчитування і запису даних з магнітних стрічок є стример (англ. зїгеатег - довга вузька стрічка). Його найчастіше використовують для створення резервних копій даних.

Основною властивістю пристроїв для роботи з оптичними дисками є швидкість зчитування та запису даних. Для перших пристроїв вона становила 150 Кбайт за секунду. У сучасних пристроях ця швидкість більша в 42-64 рази. Напис на пристрої або в його документації у вигляді, наприк­лад, 52х означає, що пристрій може забезпечувати обмін даними зі швидкістю, яка більше швидкості перших пристроїв у 52 рази, що становить близько 7800 Кбайт за секунду.

Для DVD пристроїв початкова швидкість (1х) зчитування та запису даних становить 1,32 Мбайт за секунду.

Пристрої введення

Джойстик (англ. joystick - ручка керування) використовується в ігрових програмах і комп’ютерних тренажерах. Він має (рис. 2.35) ручку, зміна нахилу якої приводить до зміни положення об’єктів на екрані. У джойстиках враховується не тільки кут нахилу, а й швидкість зміни положення. Вони можуть мати додаткові кнопки керування.

Виготовляються джойстики різних моделей і, залежно від видів комп’ютерних ігор або тренажерів, для яких вони призначені, можуть мати вигляд штурвала літака, керма автомобіля в комплекті з педалями, ігрового пульта (GamePad) та інший.

Ручні сканери (рис. 2.36) мають малі габарити і зручні для введення невеликих за розмірами зображень і фрагментів тексту. При скануванні об’єкт залишається нерухомим, а переміщують сам сканер. Такі типи ска­нерів широко використовуються з портативними комп’ютерами (ноутбука- ми), у магазинах для сканування штрих-кодів, наклеєних на товари, тощо.

Серед настільних сканерів найпоширеніші планшетні (рис. 2.37). У них об’єкт, що сканується, нерухомо розміщується на спеціальному склі. Скану­вання відбувається під час автоматичного переміщення механізму зчиту­вання.

Крім планшетних, є настільні сканери, в яких об’єкт сканування протя­гується відносно нерухомого механізму зчитування.

Ручне введення графічних даних здійснюють за допомогою спеціально­го пристрою - графічного планшета, або дигітайзера (рис. 2.38) (англ. digitizer - пристрій для оцифровування - представлення даних у двійково­му коді). Графічний планшет складається з двох основних частин - основи з чутливою поверхнею і спеціального комп’ютерного олівця - стилуса (лат. зіуіиз - стержень для письма) (рис. 2.39).

Якщо переміщувати стилус по основі, то на екрані монітора можна отри­мати графічне зображення. Більшість графічних планшетів відслідковують не тільки переміщення стилуса, а й силу натиснення, що дає змогу отриму­вати лінії різної товщини.

Пристрої виведення

Перші комп’ютери не мали моніторів і для виведення даних використо­вували різні друкуючі пристрої. Одним з перших комп’ютерів, у якому зас­тосували монітор для візуалізації даних радіолокаторів, був комп’ютер Whirlwind.

Термічні принтери - це монохромні принтери, що використовуються для друку етикеток, ярликів, чеків, штрих-кодів на складах або в магазинах, білетів для транспортних компаній, чеків у переносних касових апаратах то­що (рис. 2.49). В основі їх роботи лежить властивість спеціальних сортів па­перу (термопапір) змінювати свій колір під час нагрівання. Перевагою цих принтерів є малі розміри, мобільність - можливість працювати від автоном­них джерел живлення, висока швидкість і низька вартість друку, а серед не­доліків - низька якість друку.

Плотери (графобудівники) - також можуть виводити на тверді носії текстові або графічні дані (рис. 2.50). Але в основному вони призначені для роботи з графікою. Використовуються для друку креслень, ескізів, плакатів та інших зображень великих розмірів, як правило, більших ніж 297Ч420 мм (формат А3).

Принципи, що лягли в основу конструкцій сучасних плотерів, мало чим відрізняються від принципів роботи принтерів. Найрозповсюдженішими є плотери, які використовують струменеву технологію.

За своїм розміщенням модеми бувають внутрішніми і зовнішніми. Внутрішній модем (рис. 2.54) - це електронна плата, що вставляється в один із слотів на материнській платі.

Зовнішній модем (рис. 2.55) - це окремий пристрій з автономною сис­темою живлення, що під’єднується до комп’ютера.

Класифікація сучасної комп’ютерної техніки