03.Zasada działania komputera

W tym rozdziale opisano szczegółowo schemat blokowy oraz funkcje elementów systemu komputerowego oraz działanie procesora - �serca komputera�.

PROCESOR stanowi główny element komputera, ponieważ jest odpowiedzialny za przetwarzanie informacji. Składa się on z układów sterujących, arytmometru oraz rejestrów . Układy sterujące odpowiadają za: dostarczenie arytmometrowi danych do obliczeń z pamięci operacyjnej, przekazywanie wyników obliczeń z powrotem do pamięci oraz właściwą kolejność przetwarzania. W arytmometrze odbywają się wszystkie obliczenia realizowane przez komputer. W rejestrach procesora przechowuje się adresy wybranych miejsc pamięci operacyjnej oraz dane i wyniki obliczeń. W wyróżnionym rejestrze nazywanym licznikiem rozkazów jest umieszczany adres miejsca w pamięci wewnętrznej zawierającego bieżący rozkaz dla procesora. Praca procesora odbywa się w tzw. cyklach rozkazowych.

Przebieg jednego cyklu rozkazowego można opisać za pomocą następującego algorytmu:

1. Zawartość miejsca pamięci wewnętrznej wskazywanego przez licznik rozkazów LR zostaje przesłana do układów sterujących procesora,
2. W układach sterujących następuje rozdzielenie otrzymanej informacji na dwa pola: pole operacji i pole argumentów. Pole operacji zawiera adres rozkazu, który należy wykonać. Pole argumentów zawiera adresy, pod którymi są przechowywane dane oraz adres przeznaczenia wyniku.
3. Na podstawie wyznaczonych adresów następuje przesłanie z pamięci wewnętrznej argumentów do odpowiednich rejestrów, a na podstawie adresu rozkazu arytmometr wykonuje odpowiednie działanie (operację arytmetyczną lub logiczną) na zawartościach rejestru.
4. Wynik przetwarzania (wynik wykonanej operacji) jest wysyłany do pamięci wewnętrznej pod adres przeznaczenia wyniku.
5. Następuje zmiana wartości licznika rozkazów LR tak, aby wskazywał on kolejny rozkaz dla procesora.

Cykl rozkazowy procesora można opisać również za pomocą narysowanego niżej schematu blokowego:

Wykonywanie obliczeń może zostać przerwane. Jeżeli procesor otrzyma sygnał informujący go o żądaniu obsługi przerwania następuje przerwanie obliczeń, zapamiętanie stanu licznika rozkazów i wykonanie podprogramu (procedury) obsługi przerwania. Dalsze zachowanie się procesora jest uzależnione od podprogramu obsługującego przerwanie.

Oprócz przerwań nadchodzących z zewnątrz procesora (np. odczyt znaku z klawiatury) są przerwania wewnętrzne procesora. Jednym z takich przerwań może być przerwanie jego pracy w przypadku, gdy procesor odczyta rozkaz dzielenia dowolnej liczby przez liczbę 0.

PAMIĘĆ WEWNĘTRZNA składa się z pamięci stałej określanej terminem ROM (ang. Read Only Memory) oraz pamięci operacyjnej określanej pamięcią RAM (ang. Random Access Memory). W pamięci stałej ROM producent komputera zapisuje informacje o konfiguracji sprzętowej, programy rozpoczynające pierwszą fazę pracy komputera (inicjalizacja systemu) oraz programy diagnostyczne. Do pamięci ROM nie można zapisywać danych � można ją tylko odczytywać. W pamięci operacyjnej RAM, czyli pamięci do zapisu i odczytu, przechowywane są informacje będące obiektem bieżącego przetwarzania (dane, programy, wyniki). Pamięć RAM jest pamięcią ulotną � jej zawartość ginie po wyłączenia komputera.

MAGISTRALA jest zbiorem przewodów elektrycznych oraz specjalnych gniazd połączonych ze sobą równolegle, tak aby umożliwić przesyłanie danych, adresów i sygnałów sterujących pomiędzy procesorem, pamięcią wewnętrzną i urządzeniami peryferyjnymi komputera. Magistrala składa się z szyny sygnałów sterujących, szyny danych i szyny adresowej. Cykl pracy magistrali odbywa się w taktach czasowych (podobnie jak w przypadku procesora), z tym, że zwykle częstotliwość pracy magistrali jest kilka razy mniejsza od częstotliwości pracy procesora. Powoduje to zmniejszenie efektywności pracy całego systemu komputerowego.

KLAWIATURA jest urządzeniem zewnętrznym , którego zadaniem jest przyjmowanie danych oraz poleceń od człowieka i przekazywanie ich poprzez magistralę do specjalnie wydzielonego miejsca w pamięci RAM nazywanego buforem klawiatury. Każde naciśnięcie klawisza generuje sygnał odpowiedniego przerwania, który z kolei jest obsługiwany przez podprogram czytania i interpretacji zawartości bufora klawiatury. Każde naciśnięcie klawisza generuje sygnał odpowiedniego przerwania, które z kolei jest obsługiwane przez podprogram czytania i interpretacji zawartości bufora klawiatury. Jest to jedno z podstawowych zadań systemu operacyjnego.

MONITOR jest urządzeniem zewnętrznym , którego zadaniem jest wyświetlenie informacji przeznaczonej dla człowieka w różnej postaci: napisy, rysunki, ruchome obrazy. Ekran monitora jest traktowany jako prostokąt, który składa się z punktów zwanych pikselami: Stan pikseli określają cechy, nazywane atrybutami: kolor, stopień jasności, migotanie, kolor tła. Pozycja piksela określana jest parą danych: współrzędną X oraz współrzędną Y. Ważnym parametrem technicznym monitora jest rozdzielczość ekranu czyli gęstość punktów na ekranie. Im rozdzielczość jest większa tym dokładniejszy otrzymujemy obraz. Aby monitor mógł współpracować z komputerem potrzebna jest karta graficzna. Karta ta jest układem elektronicznym wyposażonym we własną pamięć, w której zapisywane są atrybuty pikseli.

DRUKARKA jest urządzeniem zewnętrznym którego funkcją jest wyprowadzenie informacji na papier przeznaczonej dla człowieka w postaci: znaków, tekstów, obrazów. Wyprowadzenie tych informacji nazywamy drukowaniem. Zasada działania drukarki może być różna: w przypadku drukarek igłowych w wyniku uderzenia igieł głowicy poprzez taśmę barwiącą o papier powstaje zabarwienie uderzanych miejsc na papierze.

Podstawowe definicje

Jednostka centralna (ang. central processing unit) to zasadnicza logiczna część komputera obejmująca pamięć operacyjną (RAM), pamięć ROM, procesor, karty sterujące, magistralę oraz zasilacz. Służy do sterowania działania układów elektronicznych i przetwarzania informacji.

Pamięć operacyjna (ang. operating memory) to główna pamięć komputera służąca do chwilowego (tylko gdy komputer jest włączony) przechowywania danych i programów.

Procesor (ang. processor) � układ wykonujący elementarne rozkazy arytmetyczno � logiczne pobierane z pamięci operacyjnej.

Pamięć dyskowa magnetyczna (ang. hard disk) to pamięć zewnętrzna (masowa) komputera służąca do trwałego przechowywania informacji na krążkach pokrytych nośnikiem magnetycznym.

Zasilacz � układ przetwarzający napięcie elektryczne 220V/50 Hz na napięcia potrzebne do pracy układów scalonych w jednostce centralnej: 5V i 12 V.

Urządzenia zewnętrzne � urządzenia (układy scalone) podłączone do jednostki centralnej, których zadaniem jest przekazywanie informacji do i z otoczenia komputera.