Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

Устройство персональных компьютеров

Содержание:

Введение

Двадцать первый век является веком новых технологий, компьютеров и техники. Всем хорошо известно, что компьютер является одним из важных способов получения информации. Прогрессом в вычислительной технике нельзя не восторгаться.

Производство компьютеров - это крупная отрасль промышленности: объём проданных за последние годы, этих чудо-машин, превышает более миллиарда. Такое активное развитие имеет свою интересную историю и своё происхождение. Исторический аспект рассматриваемого явления имеет также важное учебно-образовательное и общедеятельностное значение.

Термин «компьютер» означает «вычислитель», то есть механизм для вычислений. Необходимость в автоматизации обработки информации и вычислений появилась давно. Первым в мире устройством для вычисления были счёты, созданные более 1500 лет тому назад. Они работали в десятичной позиционной системе.

В наше современное время трудно представить жизнь без использования компьютера, однако до начала 70-х годов ХХ века вычислительные машины были малоизвестны и доступны не всем, а только узкому кругу специалистов, их применение нередко оставалось за секретным занавесом. Идея создания электронных вычислительных машин была зарождена в 30-40-х годах в четырёх странах: СССР, США, Германии и Великобритании.

Несколько электромеханических компьютеров были изобретены в период Второй Мировой войны. Первым электронным компьютером стал английский COLOSSUS-1, использующийся для расшифровки тайного кода, который Германия использовала для передачи значимой информации. В аналоговых вычислительных машинах все математические величины представляют собой непрерывное значение каких-либо физических величин.

В этих машинах применяется метод математического моделирования. Основным предназначением аналоговых вычислительных машин является решение линейных и дифференцированных уравнений.

В электронно-вычислительных машинах числа представляются в виде последовательных цифр. В современных ЭВМ числа представляются в виде кодов двоичных эквивалентов, иными словами, в виде комбинаций 1 и 0. 35 Принцип программного управления воспроизводится в электронно-вычислительных машинах. ЭВМ можно разделить на несколько видов: цифровые, электрифицированные и счётно-аналитические вычислительные машины.

Аналого-цифровые вычислительные машины сочетают в себе достоинства АВМ и ЭВМ. Они обладают такими характеристиками, как быстродействие, универсальность и простота программирования. Главной операцией является интегрирование. В АЦВМ числа представляются как в ЭВМ, а метод решения задач как в АВМ.

ЭВМ первого поколения были сделаны на основе электронных ламп, что делало их ненадёжными: лампы приходилось нередко заменять. Эти компьютеры были большими, неудобными и очень дорогими машинами. Язык программирования для каждой машины был индивидуален.

Набор программ был небольшой, практически отсутствовало программное обеспечение. Показатели объёма оперативной памяти и быстродействия были низкими. Во втором поколении компьютеров дискретные транзисторные логические элементы вытеснили электронные лампы. В качестве носителей информации использовались магнитные ленты и сердечники. Начали применяться языки высокого уровня программирования в качестве программного обеспечения.

Для ускорения вычислительных функций этих машин было осуществлено перекрытие команд. Первенство в изобретении интегральных схем, ставших элементной базой третьего поколения ЭВМ, принадлежит известным американским ученым Р. Нойсу и Д. Килби. Масштабное производство интегральных схем началось в 1962 году, а уже в 1964 стал происходить переход от дискретных элементов к интегральным.

Цель – рассмотреть устройство персональных компьютеров.

Задачи:

- рассмотреть устройство персональных компьютеров

- рассмотреть методы кодирования информации.

В основу работы легли исследования таких авторов, как Жиляков Е.Г. Белов С.П., Черноморец А.А. и др.

Глава 1. Устройство персонального компьютера

Устройство персонального компьютера

Персональные компьютеры выпускаются в следующих конструктивных исполнениях: стационарные (настольные) и переносные. Наиболее распространенными являются настольные ПК, которые позволяют легко изменять конфигурацию. .[ Евстифеев, А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega : Руководство пользователя / А. В. Евстифеев. – Москва : Додэка -XXI, 2007. – C. 432].

Рассмотрим IBM – совместимый настольный персональный компьютер. Состав ПК принято называть конфигурацией. Поскольку современные компьютеры имеют блочно - модульную конструкцию, то необходимую аппаратную конфигурацию, можно реализовать из готовых узлов и блоков (модулей), изготовляемых различными производителями. [ Родин, В. В. Канал ввода информации в ПЭВМ / В. В. Родин, О. Б. Шекера, В. Н. Ширчков // Учебный эксперимент в высшей школе. – 2005. – № 1. – С. 66].

Совместимость устройств является основополагающим принципом открытой архитектуры, которую предложила компания IBM. Это послужило толчком к массовому производству, как отдельных узлов, так и компьютеров. .[ Попов, Т. А. Устройство ввода информации в ПЭВМ / Т. А. Попов, В. В. Родин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сборник научных трудов XI Международной научно-технической конференции в рамках II Всероссийского светотехнического форума с международным участием (г. Саранск, 3–4 дек. 2013 г.). – Саранск : Афанасьев В. С., 2013. – С. 433].

К базовой конфигурации относятся устройства, без которых не может работать современный ПК:

системный блок;
клавиатура, которая обеспечивает ввод информации в компьютер;
манипулятор мышь, облегчающий ввод информации в компьютер;
монитор, предназначенный для изображения текстовой и графической информации.

В персональных компьютерах, выпускаемых в портативном варианте, системный блок, монитор и клавиатура объединяются в один корпус. .[ Евстифеев, А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega : Руководство пользователя / А. В. Евстифеев. – Москва : Додэка -XXI, 2007. – C. 432].

Системный блок представляет собой металлическую коробку со съемной крышкой, в которой размещены различные устройства компьютера. .[ Попов, Т. А. Устройство ввода информации в ПЭВМ / Т. А. Попов, В. В. Родин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сборник научных трудов XI Международной научно-технической конференции в рамках II Всероссийского светотехнического форума с международным участием (г. Саранск, 3–4 дек. 2013 г.). – Саранск : Афанасьев В. С., 2013. – С. 433].

По форме корпуса бывают:

Desktop – плоские корпуса (горизонтальное расположение), их обычно располагают на столе и используют в качестве подставки для монитора

Tower - вытянутые в виде башен (вертикальное расположение), обычно располагаются на полу. .[ Евстифеев, А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega : Руководство пользователя / А. В. Евстифеев. – Москва : Додэка -XXI, 2007. – C. 432].

Корпуса различаются по размерам, указанные приставки Super, Big, Midi, Micro, Tiny, Flex, Mini, Slim обозначают размеры корпусов. На передней стенке корпуса размещены кнопки “Power” - Пуск, “Reset” - Перезапуск, индикаторы питания и хода работы ПК. [ Родин, В. В. Канал ввода информации в ПЭВМ / В. В. Родин, О. Б. Шекера, В. Н. Ширчков // Учебный эксперимент в высшей школе. – 2005. – № 1. – С. 66].

Порты (каналы ввода - вывода)

На задней стенке корпуса современных ПК размещены (точнее могут размещаться) следующие порты:

Game - для игровых устройств (для подключения джойстика).
VGA - интегрированный в материнскую плату VGA – контроллер для подключения монитора для офисного или делового ПК.
COM - асинхронные последовательные (обозначаемые СОМ1—СОМЗ). Через них обычно подсоединяются мышь, модем и т.д.
PS/2 – асинхронные последовательные порты для подключения клавиатура и манипулятора мышь.
LPT - параллельные (обозначаемые LPT1—LPT4), к ним обычно подключаются принтеры.
USB - универсальный интерфейс для подключения 127 устройств (этот интерфейс может располагаться на передней или боковой стенке корпуса). .[ Евстифеев, А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega : Руководство пользователя / А. В. Евстифеев. – Москва : Додэка -XXI, 2007. – C. 432].
IEЕЕ-1394 (FireWire) - интерфейс для передачи больших объемов видео информации в реальном времени (для подключения цифровых видеокамер, внешних жестких дисков, сканеров и другого высокоскоростного оборудования). Интерфейсом FireWire оснащены все видеокамеры, работающие в цифровом формате. Может использоваться и для создания локальных сетей.
iRDA - инфракрасные порты предназначены для беспроводного подключения карманных или блокнотных ПК или сотового телефона к настольному компьютеру. Связь обеспечивается при условии прямой видимости, дальность передачи данных не более 1 м. Если в ПК нет встроенного iRDA адаптера, то он может быть выполнен в виде дополнительного внешнего устройства (USB iRDA адаптера), подключаемого через USB-порт.
Bluetooth ("блутус")- высокоскоростной микроволновый стандарт, позволяющий передавать данные на расстояниях до 10 метров. Если нет встроенного Bluetooth адаптера, то он может быть выполнен в виде дополнительного внешнего устройства (USB bluetooth адаптера), подключаемого через USB-порт. USB bluetooth адаптеры предназначены для беспроводного подключения карманных или блокнотных ПК, или сотового телефона к настольному компьютеру. .[ Евстифеев, А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega : Руководство пользователя / А. В. Евстифеев. – Москва : Додэка -XXI, 2007. – C. 432].

Разъемы звуковой карты: для подключения колонок, микрофона и линейный выход. [ Родин, В. В. Канал ввода информации в ПЭВМ / В. В. Родин, О. Б. Шекера, В. Н. Ширчков // Учебный эксперимент в высшей школе. – 2005. – № 1. – С. 66].

Необходимо отметить, что наличие или отсутствие в ПК перечисленных портов зависит от его стоимости и уровня современности.

В системном блоке расположены основные узлы компьютера:

системная или материнская плата (motherboard), на которой установлены дочерние платы (контроллеры устройств, адаптеры или карты) и другие электронные устройства;
блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, для электронных схем компьютера;
накопитель на жестком магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на несъемный жесткий магнитный диск (винчестер);
накопители на оптических дисках (типа DVD - RW или CD – RW), предназначенные для чтения и записи на компакт - диски;
накопители (или дисководы) для гибких магнитных дисков, используемые для чтения и записи на дискеты;

устройства охлаждения. .[ Попов, Т. А. Устройство ввода информации в ПЭВМ / Т. А. Попов, В. В. Родин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сборник научных трудов XI Международной научно-технической конференции в рамках II Всероссийского светотехнического форума с международным участием (г. Саранск, 3–4 дек. 2013 г.). – Саранск : Афанасьев В. С., 2013. – С. 433].

Клавиатура- устройство, предназначенное для ввода пользователем информации в компьютер. Стандартная клавиатура имеет более 100 клавиш. Клавиши клавиатуры разделяются на 6 групп:

Клавиши пишущей машинки.
Цифровые клавиши (переключение режима работы осуществляется клавишей NumLock).
Клавиши редактирования (Insert, Delete, Back Space).
Клавиши управления курсором (две группы клавиш: четыре клавиши со стрелками и четыре клавиши: Home, End, Page Up, Page Down).
Специальные клавиши (Ctrl, Alt, Esc, Num Lock, Scroll Lock, Print Screen, Pause).

Функциональные клавиши F1 – F12 (расположены в верхней части клавиатуры и предназначены для вызова наиболее часто использующихся команд). .[ Попов, Т. А. Устройство ввода информации в ПЭВМ / Т. А. Попов, В. В. Родин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сборник научных трудов XI Международной научно-технической конференции в рамках II Всероссийского светотехнического форума с международным участием (г. Саранск, 3–4 дек. 2013 г.). – Саранск : Афанасьев В. С., 2013. – С. 433].

Размещение клавиш первой группы соответствует пишущей машинке. Расположение латинских букв на клавиатуре IBM PC, как правило, такое же, как на английской пишущей машинке, а букв кириллицы – как на русской пишущей машинке. [ Родин, В. В. Канал ввода информации в ПЭВМ / В. В. Родин, О. Б. Шекера, В. Н. Ширчков // Учебный эксперимент в высшей школе. – 2005. – № 1. – С. 66].

Для ввода прописных букв и других символов, располагающихся на верхнем регистре клавиатуры, имеется клавиша [Shift]. Например, чтобы ввести прописную букву, надо нажать клавишу [Shift] и, не отпуская ее, нажать клавишу с требуемым символом. .[ Евстифеев, А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega : Руководство пользователя / А. В. Евстифеев. – Москва : Додэка -XXI, 2007. – C. 432].

Клавиша [Caps Lock] служит для фиксации режима прописных букв. Клавиша [Space] служит для создания пробела между символами. Клавиша [Enter] при редактировании текста работает как «возврат каретки» на пишущей машинке. Кроме того, нажатие этой клавиши может означать окончание ввода команды или другой информации и обращение к компьютеру.

Переключение языка клавиатуры (русский – украинский - английский) можно осуществить с помощью переключателя клавиатуры, расположенного на панели задач, либо с помощью сочетаний клавиш (Shift+ Ctrl или Shift+ Alt). .[ Евстифеев, А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega : Руководство пользователя / А. В. Евстифеев. – Москва : Додэка -XXI, 2007. – C. 432].

Манипулятор мышь – устройство управления манипуляторного типа. Небольшая коробочка с клавишами (1, 2 или 3 клавиши). Перемещение мыши по плоской поверхности (например, коврика) синхронизировано с перемещением указателя мыши на экране монитора.

Ввод информации осуществляется перемещением курсора в определенную область экрана и кратковременным нажатием кнопок манипулятора или щелчками (одинарными или двойными). По принципу работы манипуляторы делятся на механические, оптомеханические и оптические. .[ Евстифеев, А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega : Руководство пользователя / А. В. Евстифеев. – Москва : Додэка -XXI, 2007. – C. 432].

В портативных ПК в качестве мыши используются трекболы и пойнтеры. Комбинация монитора и мыши обеспечивают диалоговый режим работы пользователя с компьютером, это наиболее удобный и современный тип интерфейса пользователя. [ Родин, В. В. Канал ввода информации в ПЭВМ / В. В. Родин, О. Б. Шекера, В. Н. Ширчков // Учебный эксперимент в высшей школе. – 2005. – № 1. – С. 66].

Корпорация Microsoft выпустила новый набор из клавиатуры и мыши, предназначенный для настольных ПК. Продукт получил название Natural Ergonomic Desktop 7000, в нем используется беспроводная технология.

Мониторы

Мониторы – устройства, которые служат для обеспечения диалогового режима работы пользователя с компьютером путем вывода на экран графической и символьной информации. В графическом режиме экран состоит из точек (пикселей от англ. pixel - picture element, элемент картинки), полученных разбиением экрана на столбцы и строки. .[ Евстифеев, А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega : Руководство пользователя / А. В. Евстифеев. – Москва : Додэка -XXI, 2007. – C. 432].

Количество пикселей на экране называется разрешающей способностью монитора в данном режиме. В настоящее время мониторы ПК могут работать в следующих режимах: 480х640, 600х800, 768х1024, 864х1152, 1024х1280 (количество пикселей по вертикали и горизонтали).

Разрешающая способность зависит от типа монитора и видеоадаптера. Каждый пиксел может быть окрашен в один из возможных цветов. Стандарты отображения цвета: 16, 256, 64К, 16М цветовых оттенков каждого пиксела. .[ Евстифеев, А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega : Руководство пользователя / А. В. Евстифеев. – Москва : Додэка -XXI, 2007. – C. 432].

По принципу действия все современные мониторы разделяются на:

Мониторы на базе электронно-лучевой трубки (CRT).
Жидкокристаллические дисплеи (LCD).
Плазменные мониторы.

Наиболее распространенными являются мониторы на электронно-лучевых трубках, но более популярными становятся мониторы с жидкокристаллическими дисплеями (экранами). Самое высокое качество изображения имеют современные плазменные дисплеи. .[ Евстифеев, А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega : Руководство пользователя / А. В. Евстифеев. – Москва : Додэка -XXI, 2007. – C. 432].

Стандартные мониторы имеют длину диагонали 14, 15, 17, 19, 20, 21 и 22 дюйма. В мониторах CRT изображение формируется электронно-лучевой трубкой. При настройке монитора необходимо устанавливать такие параметры разрешающей способности и режима отображения цвета, чтобы частота обновления кадров не превышала 85 Гц.

В мониторах LCD изображение формируется с помощью матрицы пикселей. Каждый пиксел формируется свечением одного элемента экрана, поэтому каждый монитор имеет свое максимальное физическое разрешение. Так, например, для мониторов 19 дюймов разрешающая способность 1280х1024. .[ Евстифеев, А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega : Руководство пользователя / А. В. Евстифеев. – Москва : Додэка -XXI, 2007. – C. 432].

Для того чтобы исключить искажения изображений на экране рекомендуется использовать мониторы LCD в режимах его максимального разрешения. Для мониторов LCD частота смены кадров не является критичной. Изображение выглядит устойчивым (без видимого мерцания) даже при частоте обновления кадров 60 Гц.

В плазменные мониторах изображение формируется с помощью матрицы пикселей, как и в мониторах LCD. Принцип работы плазменной панели состоит в управляемом холодном разряде разряженного газа (ксенона или неона), находящегося в ионизированном состоянии (холодная плазма). [ Родин, В. В. Канал ввода информации в ПЭВМ / В. В. Родин, О. Б. Шекера, В. Н. Ширчков // Учебный эксперимент в высшей школе. – 2005. – № 1. – С. 66].

Пиксел формирует группа из трех подпикселов, ответственных за три основных цвета, которые представляют собой микрокамеры, на стенках которых находится флюоресцирующее вещество одного из основных цветов. Это одна из наиболее перспективных технологий плоских дисплеев. .[ Евстифеев, А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega : Руководство пользователя / А. В. Евстифеев. – Москва : Додэка -XXI, 2007. – C. 432].

Достоинства плазменных мониторов заключаются в том, что в них отсутствует мерцание изображения, картинка имеет высокую контрастность и четкость по всему дисплею, имеют хорошую обзорность под любым углом и малую толщину панели. К недостаткам следует отнести – большая потребляемая мощность.

Вывод

Компьютерный бум, который охватил планету в последние годы, породил новые технологии, позволяющие превратить компьютер в мощное средство образования.

Персональными компьютерами (ПК), ноутбуками и другими техническими средствами обучения (ТСО) в школе оснащают не только классы информатики, но и учебные кабинеты, в которых изучаются дисциплины, не специализирующиеся на изучении компьютерной грамотности.

Глава 2. Устройство ввода информации

2.1. Устройство ввода информации в персональный компьютер

Ввод аналоговой информации в персональный компьютер на сегодняшний день является актуальной проблемой. Решение этой задачи осуществляется специализированными платами сбора информации, подключаемыми к портам расширения компьютера.

Они используются совместно с программными комплексами, созданными на высокоуровневых объектно-ориентированных языках.

В качестве устройства ввода данных предлагается использовать канал преобразования аналоговой информации в цифровой код на основе микроконтроллера (МК) ATmega16 фирмы Atmel.

Он имеет встроенный АЦП последовательного приближения, дифференциальный усилитель с программно выбираемым коэффициентом усиления, универсальный синхронный и асинхронный приемо-передатчик (УСАПП). Входы АЦП могут объединяться попарно для формирования каналов передачи информации.

Имеется возможность предварительного усиления аналогового сигнала. В качестве источника опорного напряжения АЦП используется напряжение питания МК или внутренний (внешний) источник опорного напряжения. На входе АЦП установлен 8-канальный аналоговый мультиплексор. .[ Попов, Т. А. Устройство ввода информации в ПЭВМ / Т. А. Попов, В. В. Родин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сборник научных трудов XI Международной научно-технической конференции в рамках II Всероссийского светотехнического форума с международным участием (г. Саранск, 3–4 дек. 2013 г.). – Саранск : Афанасьев В. С., 2013. – С. 433].

Работа АЦП МК определяется заданием битов регистров ADCSRA, SFIOR и ADMUX. Для включения АЦП логическая записывается в бит ADEN регистра ADCSRA, а для выключения – в бит, соответственно, записывается логический. Запуск каждого преобразования в режиме одиночного преобразования, а также запуск первого преобразования в режиме непрерывного преобразования осуществляется установкой логической 1 в бит ADSC регистра ADCSRA. Запуск преобразования по прерыванию осуществляется установкой 1 в флаге необходимого прерывания. При этом бит ADSC регистра ADCSRA аппаратно устанавливается в 1. Запуск преобразования в этих режимах может быть также осуществлен установкой логической 1 в бит ADSC регистра ADCSRA.

В режимах одиночного и непрерывного преобразований цикл обработки аналогового сигнала начинается по первому фронту тактового сигнала после установки бита ADSC. При использовании запуска по прерыванию цикл преобразования начинается по первому фронту тактового сигнала после установки соответствующего флага прерывания. В момент его установки происходит сброс предделителя модуля АЦП, обеспечивая фиксированную задержку между генерацией запроса на прерывание и началом цикла преобразования. .[ Попов, Т. А. Устройство ввода информации в ПЭВМ / Т. А. Попов, В. В. Родин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сборник научных трудов XI Международной научно-технической конференции в рамках II Всероссийского светотехнического форума с международным участием (г. Саранск, 3–4 дек. 2013 г.). – Саранск : Афанасьев В. С., 2013. – С. 433].

Преобразование запускается при установке необходимого флага, даже если прерывание запрещено. Длительность цикла преобразования составляют 13 тактов при использовании несимметричного входа и 14 тактов – при дифференциальном входе (определяется работой схемы синхронизации). Выборка и запоминание аналогового сигнала осуществляются за 1,5 и 2,5 такта соответственно.

После окончания преобразования бит ADSC сбрасывается в 0 (при одиночном преобразовании). Полученный цифровой код сохраняется в регистре данных АЦП, который физически состоит из двух регистров ввода/вывода ADCH:ADCL. После включения МК в них содержится нулевое значение. Результат преобразования может доопределяться выравниванием вправо (старшим 6 битам регистра ADCH присваиваются нулевые значения) или влево (младшим 6 битам регистра ADCL присваиваются нулевые значения). [ Родин, В. В. Канал ввода информации в ПЭВМ / В. В. Родин, О. Б. Шекера, В. Н. Ширчков // Учебный эксперимент в высшей школе. – 2005. – № 1. – С. 66].

Управление выравниванием результата преобразования осуществляет бит ADLAR регистра ADMUX. Если он установлен в 1, то результат преобразования выравнивается по левой границе 16-битного слова, если сброшен в 0, то по правой границе. Считывание данных регистров ADCH и ADCL для получения результата преобразования выполняет- ся в определенной последовательности. Первым считывается регистр ADCL, а затем ADCH. После преобразования устанавливается флаг прерывания ADIF регистра ADCSR и генерируется запрос на прерывание. Флаг ADIF сбрасывается при запуске подпрограммы обработки прерывания аппаратно от АЦП или программно. Разрешение прерывания осуществляется установкой в логическую единицу бита ADIE регистра ADCSR при установленном флаге I регистра SREG. В режиме непрерывного преобразования новый цикл начнется после записи результата в регистр АЦП. В режиме одиночного преобразования новое преобразование может быть запущено после сброса бита ADSC. Реально цикл преобразования начинается только через один такт после окончания текущего преобразования. Величина частоты дискретизации преобразования аналогового определяется с помощью предделителя частоты АЦП, коэффициент деления которого определяется состоянием битов ADPS2, ADPS1, ADPS0 регистра ADCSRA/ ADCSR. .[ Попов, Т. А. Устройство ввода информации в ПЭВМ / Т. А. Попов, В. В. Родин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сборник научных трудов XI Международной научно-технической конференции в рамках II Всероссийского светотехнического форума с международным участием (г. Саранск, 3–4 дек. 2013 г.). – Саранск : Афанасьев В. С., 2013. – С. 433].

Наибольшая точность преобразования достигается при тактовой частоте модуля АЦП в диапазоне от 50 Гц до 200 кГц. Номера выводов МК, подключаемых через мультиплексор к входу АЦП, определяются состоянием битов MUX3, MUX4 регистра ADMUX. Для каналов с дифференциальным входом указанные биты определяют также коэффициент предварительного усиления входного сигнала.

Предварительный усилитель, используемый каналами с дифференциальным входом, имеет встроенную схему коррекции напряжения смещения. Оставшаяся после коррекции величина смещения может быть устранена программно.

Для этого входы дифференциального усилителя подключаются к одному и тому же выводу МК. Полученная величина синфазного сигнала вычитается из результата полученных преобразований аналогового сигнала. Ошибка смещения может быть снижена до величины, меньшей 1 младшего значащего разряда АЦП.

Программа работы МК создана в среде AVR-Studio на языке программирования Assembler.

После подачи питания на МК происходит его инициализация. Настраиваются стек МК, таблица прерываний, производится предварительная настройка АЦП (определение скорости преобразования, выбор источника опорного напряжения).

Затем происходит конфигурирование модуля УСАПП. Выбираются скорость работы и формат кадра (количество битов данных в кадре, количество стоп-битов, настройка бита четности).

Далее в программе реализуется цикл ожидания приема режима работы устройства. В случае получения кода режима регистратора устройство переходит в режим регистратора.

В случае получения кода осциллографа выполняется подпрограмма работы устройства в режиме осциллографа. .[ Попов, Т. А. Устройство ввода информации в ПЭВМ / Т. А. Попов, В. В. Родин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сборник научных трудов XI Международной научно-технической конференции в рамках II Всероссийского светотехнического форума с международным участием (г. Саранск, 3–4 дек. 2013 г.). – Саранск : Афанасьев В. С., 2013. – С. 433].

Подпрограмма режима регистратора начинается с цикла ожидания приема номера канала, на котором необходимо произвести измерения. После получения номера канала осуществляется конфигурирование АЦП (выбирается режим одиночного преобразования, устанавливается выбранный канал мультиплексора).

После завершения конфигурирования АЦП-программа выполняет одно холостое преобразование. Это действие необходимо для повышения точности преобразования. Затем программа выполняет первое корректное преобразование и отправляет данные в персональный компьютер.

Подпрограмма режима осциллографа начинается с цикла ожидания настроек. После получения настроек выполняется конфигурирование АЦП (устанавливаются дифференциальный, или несимметричный, режим, коэффициент усиления предусилителя, номер канала, режим непрерывного преобразования).

Далее программа запускает АЦП, отправляет данные в ПЭВМ и осуществляет проверку сигнала «стоп», в случае получения послед- него программа переведет устройство в режим ожидания следующей опера- ции. Если сигнал «стоп» не принят, то цикл измерения и отправки данных повторяется.

Основой предлагаемого устройства служит МК ATmega16 со встроенным АЦП и интерфейсом УСАПП. Питание МК осуществляется от стабилизатора напряжения на микросхеме DA1 (КР142ЕН5А). Она формируется напряжением 5 В, которое используется для питания всех элементов схемы и в качестве опорного напряжения АЦП. [ Родин, В. В. Канал ввода информации в ПЭВМ / В. В. Родин, О. Б. Шекера, В. Н. Ширчков // Учебный эксперимент в высшей школе. – 2005. – № 1. – С. 66].

Конденсаторы С1, С2, С3 и С5 используются для лучшей стабилизации напряжения питания. Тактовая частота МК задается конденсаторами C6, C7 и кварцевым резонатором Z1 номиналом 12 МГц. Ем- кость С6 и С7 должна составлять от 12 до 22 пФ в соответствии с описанием МК.

Частота кварцевого резонатора обеспечивает высокую производительность МК и скорость передачи данных 115 200 бит/с с минимальным количеством ошибок. .[ Попов, Т. А. Устройство ввода информации в ПЭВМ / Т. А. Попов, В. В. Родин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сборник научных трудов XI Международной научно-технической конференции в рамках II Всероссийского светотехнического форума с международным участием (г. Саранск, 3–4 дек. 2013 г.). – Саранск : Афанасьев В. С., 2013. – С. 433].

Данные на персональный компьютер передаются по интерфейсу RS232. Интерфейс RS232 использует диапазон напряжения от -12 до +12 В.

Логическому нулю соответствует диапазон напряжений от +3 до +12 В, логической единице – от -3 до -12 В. Интерфейс УСАПП МК использует уровни напряжения ТТЛ, где логическому нулю соответствует диапазон напряжений от 0,0 до +0,4 В, а логической единице – от +2,4 до +5,0 В. Преобразователь уровней RS232-ТТЛ реализован на транзисторах VT1-КТ3107, VT2-КТ3102, резисторах R1-R4 номиналом 4,7 кОм, диодах VD1, VD2 – 1N4148 и конденсаторе C4 номиналом 10 мкФ.

2.2. Принципы работы процессора и его характеристики

Большим недостатком была узкая специализация ИМС, из-за которой объем их выпуска не мог быть большим, а значит стоимость одной микросхемы оставалась высокой. Улучшить ситуацию позволило бы создание универсальной логической ИМС, специализация которой определялась бы не заложенной на заводе внутренней структурой, а заданной непосредственно самим потребителем программой работы.

Таким образом, оказывается, что первые микропроцессоры (МП) появились совсем не для миниатюризации ЭВМ, а в целях создания более дешевой логической микросхемы, легко адаптируемой к потребностям пользователя. .[ Попов, Т. А. Устройство ввода информации в ПЭВМ / Т. А. Попов, В. В. Родин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сборник научных трудов XI Международной научно-технической конференции в рамках II Всероссийского светотехнического форума с международным участием (г. Саранск, 3–4 дек. 2013 г.). – Саранск : Афанасьев В. С., 2013. – С. 433].

История создания первого в мире микропроцессора достаточно поучительна. Летом 1969 г. японская компания “Busicom”, разрабатывавшая новое семействокалькуляторов, обратилась за помощью в фирму “Intel”. К тому времени “Intel” просуществовала всего около года, но уже проявила себя созданием самой емкой на тот момент микросхемы памяти. Фирме “Busicom” как раз и требовалось изготовить микросхемы, содержащие несколько тысяч транзисторов. Для реализации совместного проекта был привлечен инженер фирмы “Intel” М.Хофф. Он познакомился с разработками “Busicom” и предложил альтернативную идею: вместо 12 сложных специализированных микросхем создать одну программируемую универсальную – микропроцессор. Проект Хоффа победил и фирма “Intel” получила контракт на производство первого в мире микропроцессора. [ Родин, В. В. Канал ввода информации в ПЭВМ / В. В. Родин, О. Б. Шекера, В. Н. Ширчков // Учебный эксперимент в высшей школе. – 2005. – № 1. – С. 66].

Практическая реализация идеи оказалась непростым делом. В начале 1970 г. к работе подключился Ф.Фаджин, который за 9 месяцев довел процессор от описания до кристалла (позднее Ф.Фаджин основал фирму “Zilog”, создавшую замечательный 8-разрядный процессор Z80, который успешно работал во многих домашних компьютерах). 15 ноября 1971 г. “Intel 4004” – так назвали процессор – был представлен общественности.

Поскольку для хранения одной цифры калькулятору требуется 4 бита (именно столько необходимо для изображения десятичных цифр “8” и “9”), “Intel 4004” был четырехразрядным процессором. Следующий микропроцессор предназначался для установки в терминал и должен был обрабатывать символьную информацию. Поскольку каждый символ кодируется одним байтом, следующая модель “Intel 8008” стала 8-разрядной; она появилась в апреле 1982 г. По-прежнему этот процессор был заменой “аппаратной логики”, но отдельные энтузиасты уже пытались собрать на нем компьютер. Результаты были скорее демонстрационными, нежели полезными, но микрокомпьютерная революция уже началась.

А в апреле 1974 г. компания “Intel” совершила новый качественный скачок: ее изделие с маркой “Intel 8080” стало первым в мире процессором, походившим на “настоящую” вычислительную машину. Отметим любопытную деталь: хотя процессор. и обрабатывал 8-разрядные данные, но адрес ОЗУ был двухбайтовым. Таким образом, 8080 мог иметь до 64 килобайт памяти, что по тем временам казалось программистам недостижимым пределом. .[ Попов, Т. А. Устройство ввода информации в ПЭВМ / Т. А. Попов, В. В. Родин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сборник научных трудов XI Международной научно-технической конференции в рамках II Всероссийского светотехнического форума с международным участием (г. Саранск, 3–4 дек. 2013 г.). – Саранск : Афанасьев В. С., 2013. – С. 433].

Дальнейшее развитие событий происходило прямо-таки с фантастической скоростью, даже если сравнивать с темпами динамично развивающейся вычислительной техники. За десятилетие был пройден путь от изобретения 4-разрядного МП до достаточно сложной 32-разрядной архитектуры. Было ликвидировано отставание микропроцессорной техники от обычных ЭВМ и началось интенсивное вытеснение последних (все ЭВМ четвертого поколения собраны на базе того или иного микропроцессора!). Для иллюстрации укажем, что первый МП 4004 содержал 2200 транзисторов, МП 8080 – 4800, МП “Intel 80486” – около 1,2 миллиона, а современный “Pentium” – около 3 миллионов.

История развития микропроцессоров представляет собой достаточно интересную самостоятельную тему. Здесь упомянем только, что пионер в создании процессорных микросхем фирма “Intel” по-прежнему сохраняет свои лидирующие позиции в этой области. Ее программно-совместимое семейство последовательно усложняющихся МП (16-разрядные 8086, 80286 и 32-разрядные 80386, 80486, “Pentium”) являются “мозгом” значительной части использующихся компьютеров. Именно на базе этих микропроцессоров собраны все широко распространенные в нашей стране IBM-совместимые компьютеры. [ Родин, В. В. Канал ввода информации в ПЭВМ / В. В. Родин, О. Б. Шекера, В. Н. Ширчков // Учебный эксперимент в высшей школе. – 2005. – № 1. – С. 66].

Другую ветку обширного микропроцессорного семейства образуют МП фирмы “Motorola”: ее изделия работают в известных компьютерах “Apple”, а также в более простых – “Atari”, “Commador”, “Amiga” и др. Процессоры “Motorola” ничуть не хуже, а порой даже заметно лучше производимых компанией “Intel”. Но на стороне последней – огромные производственные мощности транснационального гиганта IBM и десятки южно-азиатских фирм, буквально наводнившие мир дешевыми IBM-совместимыми компьютерами. .[ Евстифеев, А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega : Руководство пользователя / А. В. Ев- стифеев. – Москва : Додэка -XXI, 2007. – C. 432].

В 1993 г. фирма “Motorola” совместно с IBM и “Apple” разработала новый процессор “PowerPC”. Этот процессор имеет очень хорошие технические характеристики, но самое главное в нем – он может эмулировать работу компьютеров и “Apple”, и IBM. Очевидно, что это событие еще более обострит конкурентную борьбу на рынке микропроцессоров. .[ Попов, Т. А. Устройство ввода информации в ПЭВМ / Т. А. Попов, В. В. Родин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сборник научных трудов XI Международной научно-технической конференции в рамках II Всероссийского светотехни- ческого форума с международным участием (г. Саранск, 3–4 дек. 2013 г.). – Саранск : Афанасьев В. С., 2013. – С. 433].

Завершая краткий исторический экскурс, попробуем определить некоторые новые направления развития МП в ближайшем будущем. Характерной чертой последних моделей процессоров является возможность работы в многозадачном режиме, который фактически стал нормой для современных ЭВМ. Развивается RISC-архитектура микропроцессоров (процессоры с минимальным числом команд). [ Евстифеев, А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega : Руководство пользователя / А. В. Ев- стифеев. – Москва : Додэка -XXI, 2007. – C. 432].

Такой МП работает необычайно быстро и способен выполнить любую из своих немногочисленных команд за один машинный такт, в то время как обычно на выполнение простой операции требуется 4-5 тактов. Ярким примером достоинств RISC-архитектуры является уже упоминавшийся процессор “PowerPC”. Следует особо подчеркнуть, что успехи RISC-подхода оказывают существенное влияние и на конструирование CISC-процессоров (процессоры с полным набором команд). Так, существенное ускорение классических CISC МП старших моделей семейства “Intel” достигается за счет конвейерного выполнения команд, заимствованного из RISC МП.

И, наконец, нельзя не упомянуть о транспьютерах, содержащих в процессорном кристалле собственное ОЗУ от 2 до 16 кбайт и каналы связи с внешним ОЗУ и с другими транспьютерами. Теоретические возможности этих ИМС, реализующих алгоритмы параллельных вычислений, поражают воображение. Однако потребуется значительное время, прежде чем они смогут быть практически реализованы. [ Родин, В. В. Канал ввода информации в ПЭВМ / В. В. Родин, О. Б. Шекера, В. Н. Ширчков // Учебный эксперимент в высшей школе. – 2005. – № 1. – С. 66].

Не следует думать, что бурное развитие микропроцессоров требуется только для вычислительных машин, где МП используются уже не только в качестве центрального процессора, но и в качестве контроллеров для управления сложными периферийными устройствами типа винчестера или лазерного принтера. .[ Евстифеев, А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega : Руководство пользователя / А. В. Ев- стифеев. – Москва : Додэка -XXI, 2007. – C. 432].

Все большее число ИМС ставится в изделия, напрямую не связанные с ЭВМ, в том числе и бытовые: лазерные аудио- и видеопроигрывателц, телетекст и пейджинговая связь, программируемые микроволновые печи и стиральные машины, а также многие другие. Очевидно, что число таких управляемых микропроцессорами устройств будет все время возрастать. .[ Попов, Т. А. Устройство ввода информации в ПЭВМ / Т. А. Попов, В. В. Родин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сборник научных трудов XI Международной научно-технической конференции в рамках II Всероссийского светотехни- ческого форума с международным участием (г. Саранск, 3–4 дек. 2013 г.). – Саранск : Афанасьев В. С., 2013. – С. 433].

Перечислим основные функции микропроцессора:

• выборка команд из ОЗУ;

•декодирование команд (т.е. определение назначения команды, способа ее исполнения и адресов операндов);

• выполнение операций, закодированных в командах;

• управление пересылкой информации между своими внутренними регистрами, оперативной памятью и внешними (периферийными) устройствами;

• обработка внутрипроцессорных и программных прерываний;

• обработка сигналов от внешних устройств и реализация соответствующих прерываний;

управление различными устройствами, входящими в состав компьютера. [ Родин, В. В. Канал ввода информации в ПЭВМ / В. В. Родин, О. Б. Шекера, В. Н. Ширчков // Учебный эксперимент в высшей школе. – 2005. – № 1. – С. 66].

Внутреннее устройство микропроцессоров очень сложно (вспомним три миллиона транзисторов в “Pentium”). Даже если попытаться рассмотреть наиболее общую схему основных функциональных узлов, и то получится достаточно сложная картина. К тому же внутреннее устройство МП сильно зависит от его марки, а стало быть изучение структуры одного процессора не обязательно помогает понять работу другого. Следует признать нецелесообразным для пользователя (и даже, может быть, для программиста) изучение инженерных деталей процессора современной ЭВМ, и ограничиться, как это принято делать, только теми функциональными узлами, которые доступны программно. При таком подходе оказывается, что МП имеют много общего, и становятся отчетливо видны некоторые закономерности их внутреннего устройства. Кроме того, исчезает пугающая сложность и возникает приятное и полезное чувство, что компьютер – это не какая-то там “вещь в себе” и его поведение можно понять. .[ Попов, Т. А. Устройство ввода информации в ПЭВМ / Т. А. Попов, В. В. Родин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сборник научных трудов XI Международной научно-технической конференции в рамках II Всероссийского светотехни- ческого форума с международным участием (г. Саранск, 3–4 дек. 2013 г.). – Саранск : Афанасьев В. С., 2013. – С. 433].

Микропроцессор (центральный микропроцессор, CPU) – программно управляемое устройство, предназначенное для обработки информации под управлением программы, находящейся сейчас в оперативной памяти. Конструктивно представляет собой небольшую микросхему, находящуюся внутри системного блока и установленную на материнской плате, связанную с материнской платой интерфейсом процессорного разъема (Socket).

Маленькие микропроцессоры (их размер можно сравнить с кусочком сахара или мобильным телефоном) являются своего рода локомотивом компьютера и часто самым дорогим внутренним его компонентом. Процессор в основном считывает данные из памяти, манипулирует ими и возвращает их обратно в память или передает на внешние устройства, например, монитор или принтер.[ Евстифеев, А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega : Руководство пользователя / А. В. Ев- стифеев. – Москва : Додэка -XXI, 2007. – C. 432].

Микропроцессор может обрабатывать данные любой природы: текст, числа, графика, звук и др. Это возможно потому, что данные перед использованием на компьютере преобразовываются к простейшему виду, представляются в двоичном коде, “оцифровываются”. Физически это может выглядеть как чередование намагниченных и размагниченных участков жесткого диска, отражающих и не отражающих луч участков компакт-диска, передаваемых сигналов напряжения высокого и низкого уровня и т.д.[ Попов, Т. А. Устройство ввода информации в ПЭВМ / Т. А. Попов, В. В. Родин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сборник научных трудов XI Международной научно-технической конференции в рамках II Всероссийского светотехни- ческого форума с международным участием (г. Саранск, 3–4 дек. 2013 г.). – Саранск : Афанасьев В. С., 2013. – С. 433].

Для описания работы цифровых устройств используется двоичная система счисления, Булева логика, законы алгебры логики.

Основными характеристиками процессора являются:

быстродействие – количество операций, производимых в 1 секунду, измеряется в бит/сек. Каждая последующая модель имеет более высокую производительность по сравнению с предыдущей. Современные процессоры обладают расширением ММХ (MultiMediaeXtention – расширение мультимедиа);
тактовая частота – количество тактов, производимых процессором за 1 секунду. Операции, производимые процессором, не являются непрерывными, они разделены на такты. Эта характеристика определяет скорость выполнения операций и непосредственно влияет на производительность процессора. Процессор Pentium и его модификации имеют тактовые частоты от 60 МГц до 1,5 ГГц (выполнять 1,5 миллиарда операций в секунду);
разрядность – количество двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. Указывая разрядность процессора 64, имеют в виду, что процессор имеет 64-разрядную шину данных, т.е. за один такт он обрабатывает 64 бита [ Родин, В. В. Канал ввода информации в ПЭВМ / В. В. Родин, О. Б. Шекера, В. Н. Ширчков // Учебный эксперимент в высшей школе. – 2005. – № 1. – С. 66].

Вывод

Заключение

Современные персональные IBM PC – совместимые компьютеры - являются широко используемым видом компьютеров, стабильно увеличивается их мощность, а область использования расширяется.

Персональный компьютер способен решать вычислительные задачи повышенной сложности в любых количествах и за очень маленький промежуток времени без ошибок.

При компьютерах первого поколения все тяжёлые вычисления легче было совершать вручную, не прибегая к ЭВМ в процессе решения. Память компьютера – один из самых важных плюсов устройства со времен ЭВМ.

Изначально память ЭВМ, запоминающих устройств, стала конкурировать с человеческой памятью, уверенно превышая её объем.

В первое время объем памяти ЭВМ был немного меньше, чем у человека, но вскоре он превысил эту планку, и теперь, когда машина ушла далеко вперед от человека, нам тяжело сравнивать два этих параметра. Эволюция компьютеров была и будет стремительным и динамичным процессом.

В век мультимедиа и цифровых технологий происходит переход от традиционного оборудования к многоцелевым цифровым устройствам.

Современного человека окружает техника, основанная на работе микропроцессоров. Процессоры цифровой обработки сигналов специализированы под вычислительные задачи, они эффективно выполняют операции свёртки, фильтрации, перемножения векторов и матриц, характерные для этого класса задач.

Архитектура явного паралеллизма и малая энергозатратность на единицу вычислительной мощности обеспечили их применение в таких устройствах, как плееры, мобильные телефоны, фото-, видеокамеры.

Активное использование персональных компьютеров (ПК) и компьютерных технологий позволяет целенаправленно работать с информацией и получать ее из разных источников, поэтому применение ПК в процессе изучения дисциплин в учебных заведениях: общеобразовательной школе, учреждениях среднего и высшего звена оправдано и целесообразно.

При использовании ПК как средства обучения в учебном процессе учитель не отходит на второй план, т. к. компьютер только помогает ему совершенствовать методику преподавания, служа проводником идей педагога.

Литература

1. Евстифеев, А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega : Руководство пользователя / А. В. Евстифеев. – Москва : Додэка -XXI, 2007. – 587 с.
2. Пей, Ан. Сопряжение ПК с внешними устройствами / Ан Пей. – Москва : ДМК-Пресс, 2001. – 320 с.
3. Попов, Т. А. Устройство ввода аналоговой информации в ПЭВМ / Т. А. Попов, В. В. Родин // Учебный эксперимент в высшей школе. – 2009. – № 1. – С. 67–76.
4. Попов, Т. А. Устройство ввода информации в ПЭВМ / Т. А. Попов, В. В. Родин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сборник научных трудов XI Международной научно-технической конференции в рамках II Всероссийского светотехни- ческого форума с международным участием (г. Саранск, 3–4 дек. 2013 г.). – Саранск : Афанасьев В. С., 2013. – С. 433–435.
5. Родин, В. В. Канал ввода информации в ПЭВМ / В. В. Родин, О. Б. Шекера, В. Н. Ширчков // Учебный эксперимент в высшей школе. – 2005. – № 1. – С. 66–73.