компютърни системи

АНТОН ПЕТРОВ
СИЛВИЯ СТОЯНОВА







КОМПЮТЪРНИ
СИСТЕМИ












КОАЛА ПРЕС

Настоящата книга е предвидена да изпълнява функциите на учебник за студентите от
първи курс от специалност ''Информационна физика и комуникации''. Съдържанието на
книгата е съобразено с приетите и утвърдени във Физическия факултет на Пловдивския
университет учебни планове и програми и включва основни въпроси по апаратната част и
програмното осигуряване на компютърните системи. Четенето и изучаването на материала
в книгата не изисква специална предварителна подготовка. Някои глави включват
допълнителен материал за тези, които биха желали да разширят своите познания в областта
на компютърните системи. Книгата е основа и за дисциплината ''Микропроцесорни
системи'' от учебния план на тази специалност. Книгата би могла да бъде полезна и на
студенти от други специалности, за които дисциплината ''Компютърни системи'' не е
основна, както и за всички, които биха се интересували от засегнатите теми и въпроси.
Структурата на книгата и множеството контролни въпроси и допълнителни ресруси (книги
и Интернет-сайтове) дават възможност тя да се използва и за самостоятелна подготовка.


Автори:
д-р инж. Антон Петров,
доцент във Физически факултет,
ПУ „Паисий Хилендарски‖

д-р инж. Силвия Стоянова,
главен асистент във Физически факултет,
ПУ „Паисий Хилендарски‖













© Антон Петров, Силвия Стоянова – автори
© Издателство „Коала прес” – Пловдив, 2011 г.
ISBN

ПРЕДГОВОР

Настоящата книга е основана на курса лекции по „Компютърни системи‖ за
студенти от специалност „Информационна физика и комуникации‖, четен в
продължение на няколко години във Физическия факултет на ПУ „Паисий
Хилендарски‖. В книгата, сме се постарали да съхраним определен баланс между
познанията за апаратната част на компютърните системи и програмното
осигуряване, изхождайки от спецификата на специалността. Книгата е озаглавена
Компютърни системи, но засяга предимно персоналните компютри от практическа
гледна точка.
Книгата може условно да бъде разделена на няколко части. Първата част
обхваща глави 1 – 3 и засяга общите понятия и основи на компютърните системи
(КС) – съставни елементи, кодове и кодиране на информацията в КС, както и
логическите основи и схеми, използвани в КС.
Втората част включва глави 4 – 7 и разглежда базовата архитектура на КС –
процесор, памет и видове памети, КЕШ памет, виртуална памет , тяхното
устройство и принцип на действие и тяхното взаимодействие.
Третата част включва само две глави – 8 и 9 и разглежда вътрешната
организация на КС и връзката с периферията – интерфейси и шини и техните
разновидности, използвани в съвременните КС.
Четвъртата част на учебника обхваща глави 10 – 14 и засяга различните
периферни устройства в КС, използвани за въвеждане, извеждане и съхраняване на
информацията, видовете периферни устройства и тяхната организация и принцип
на действие.
Петата част е съставена от глави 15 – 17 и касае програмното осигуряване на
КС. В първите две глави се разглеждат системното програмно осигуряване и главно
операционните системи (ОС), техните съставни елементи и функции, както и
видовете ОС, използвани в КС. В последната глава 17 се разглежда приложното
програмно осигуряване – офис пакетите и някои програми със специално
предназначение.
В края на всяка глава са дадени контролни въпроси и ресурси, включващи
книги и Интернет сайтове. Към някои глави има приложения, в които се дават
някои таблици, както и новости в съответната област.
Предвид ограничения обем на книгата авторите са далеч от мисълта за
изчерпателност по всяка от засегнатите теми, както и за тяхната абсолютна
актуалност към момента на издаване на книгата, като се имат предвид темповете, с
които се развиват компютърните системи. Считаме, че цитираната литература и
посочените Интернет адреси в достатъчен обем ще запълнят тези празноти.
Книгата е предвидена да бъде ползвана като учебник за студенти от
специалност „Информационна физика и комуникации‖, но по наше мнение може да
послужи и на студенти от други специалности, за които тази дисциплина не е
основна, както и на всички, които биха проявили интерес към разгледаните в
книгата въпроси. Авторите ще бъдат благодарни на всеки, който би направил
бележки или отправил препоръки към следващото издание.

Антон Петров
Силвия Стоянова

Глава 1 - Състав и структура на компютърните сис теми


5
Глава 1
Състав и структура на компютърните системи
Основни понятия. Основни фази на дейност в КС. Технически
средства (апаратна част, хардуер). Програмно осигуря ване
(софтуер) на КС. Понятие за компютърна архитектура (КА).
Видове компютърни архитектури и компютърни системи.
Методи на въвеждане и обработка на данните в КС. Кратка
история на изчислителната техника и п околения компютри.
1.1. Компютърни системи – общи сведения. Състав и структура
Компютър (електронно-изчислителна машина, автоматична сметачна
машина) наричаме автоматично устройство с програмно управление, чието основно
предназначение е обработка и съхраняване на информация под формата на данни.
Компютрите могат да решават голям кръг от задачи, свързани с различни
информационни дейности, както и да се използват за управление на обекти.
Характерни особености на компютрите са:
 програмно управление, т.е. автоматично обработване на данните по зададен
алгоритъм;
 дискретност, както за процеса на обработване, който се състои от отделни
ясно разграничени стъпки, така и за начина на представянето на данните;
 универсалност - способност при една и съща техническа и принципна база
да се решават разнообразни задачи по различни алгоритми с различни входни
данни;
 висока скорост на обработване на данните, без която компютърът губи
смисъл.
Компютърът е интегрирана съвкупност от две основни части – апаратна
(hardware) и програмна (software). Двете части са взаимосвързани, като всяка от
тях изпълнява определени функции и не може да работи самостоятелно.
По-широко понятие е компютърна система (КС)
1
, която съдържа следните
елементи:
1. апаратна част или хардуер (hardware);
2. програмно осигуряване или софтуер (software);
3. данни/информация;
4. процедури (инструкции за работа);
5. хора.
Апаратната част или хардуер включва всички елементи на КС, които имат
физическо присъствие в пространството – кутия, дънна платка, захранване,
интегрални схеми (чипове), куплунзи, кабели, периферни устройства (клавиатура,
мишка, харддиск, дисплей, принтер и др.) и т.н.
Програмното осигуряване или софтуер обединява всички програмни
средства (инструкции, програми, програмни езици, библиотеки и др.), които дават
указания на хардуера на дадена КС какво да прави, за да бъде изпълнена
поставената задача. Програмното осигуряване (ПО) бива системно ПО, което
осигурява правилното функциониране на цялата система и приложно ПО, с
помощта на което потребителите решават своите приложни задачи.

1
За простота често ще използваме термина компютър или съкращението КС вместо компютърна система.

Глава 1 - Състав и структура на компютърните сис теми


6
Когато КС не е изолирана, а комуникира с друга такава или е част от
компютърна мрежа, към съставните елементи може да бъде причислен и шести
елемент - устройства за връзка (комуникация). Те включват, както хардуер
(модеми, мрежови карти) и физически средства за връзка (телефонни линии,
кабели, радиорелейни и сателитни връзки), така и подходящ софтуер (програми,
протоколи).
Под данни в КС ще разбираме сурова, необработена информация (числа,
думи, факти, фигури, инструкции). Цел на КС е да превърне данните в полезна
информация, която ще бъде използвана за решаване на конкретна теоретична или
практическа задача в резултат от обработката на данни. Обработката може да
включва различни математични операции, сортиране, класификация, обработка на
изображения или електрически сигнали и др. Благодарение на обработката
множеството от данни се превръща в множество на резултатите.
Процедурите са определени последователности от стъпки, които трябва да
бъдат следвани при работа с хардуера и софтуера на КС. Съвременните софтуерни
пакети често включват в състава си т.н. съветници (Wizards - англ.), които
подсказват какви точно стъпки трябва да бъдат извършени и в каква
последователност.
Хората са петият безусловно необходим елемент на КС. С помощта на
системния софтуер те управляват хардуера и създават и използват компютърните
програми следвайки определени процедури и алгоритми. Те са обикновено два
типа: компютърни специалисти - професионалисти, които познават в детайли КС и
имат за задача да осигурят тяхната безотказна работа (компютърни инженери и
техници), както и да създават необходимия системен и приложен софтуер
(системни и приложни програмисти) и редови потребители на КС (каквито са
повечето от нас), които имат за цел да решават своите задачи, използвайки
съответен приложен софтуер (физици, математици, инженери, научни работници и
т.н.).
1.2. Апаратна част (хардуер) на КС
Всеки потребител трябва да познава хардуера на КС, за да може правилно да
оцени възможностите на предоставената му КС или да направи правилен избор при
покупка на нова КС за решаване на конкретни приложни задачи. Основните
информационни дейности (фази на дейност) в КС са:
1. въвеждане;
2. обработка;
3. запомняне(съхраняване);
4. извеждане;
5. комуникация (при връзка с други КС).
За всяка информационна дейност има и съответни апаратни устройства
(хардуер). На фиг.1.1 е показана обобщена блокова схема на КС, включваща
различните апаратни устройства (без устройствата за комуникация).
А. Устройства за въвеждане – имат за задача да приемат входните данни и
да ги преобразуват във вид удобен за компютърна обработка. Най-широко
използвани са клавиатурата и мишката.

Глава 1 - Състав и структура на компютърните сис теми


7
Натискането на клавиш от клавиатурата се съпровожда с идентификация на
натиснатия клавиш и генериране на код, съответстващ на този клавиш (или
комбинация от клавиши), който се въвежда в компютъра.
Мишката е от типа на т.н посочващи устройства. Чрез нея може да се мести
курсора (показалеца) върху екрана на монитора, да се избират определени елементи
от него и да се въвежда информация чрез щракване върху левия бутон. Основни
операции с мишката са: посочване, щракване – еднократно и двукратно и влачене за
местене и копиране на обекти и извеждане на контекстно меню с десен бутон.

Фиг.1.1. Обобщена блокова схема на компютърна система
Други въвеждащи устройства са скенерите, адаптери за директно въвеждане
от експериментална апаратура, мрежови карти и т.н. Особен дял образуват
мултимедийните устройства за въвеждане и извеждане на информация в аудио и
видеоформат (фиг.1.2).

Фиг.1.2. Устройства за въвеждане
Б. Устройства за обработка са централният процесор (CPU - Central
Processor Unit) и оперативна памет (RAM - Random Access Memory).

Глава 1 - Състав и структура на компютърните сис теми


8
Централен процесор (CPU, микропроцесор). Приема и интерпретира
програмните инструкции, координира обработката на данните и управлява
цялостната работа на КС. По-подробно CPU ще бъде разгледан в глава 4.
Главна памет на КС (памет с произволен достъп – RAM, вътрешна памет,
оперативна памет или просто памет) – играе важна роля при обработката на
данните. В нея временно се запомнят част от операционната система, текущата
програма, данните и получените при обработката резултати.
Капацитетът на RAM се измерва в мегабайти (МВ) или гигабайти (GB). По-
голям капацитет дава възможност за зареждане на мощни операционни системи,
по-големи и сложни програми и масиви от данни. В съвременните КС за лична
употреба (персонални компютри) тя има капацитет до няколко GB, а в големите КС
може да достигне и до терабайти. RAM е организирана във вид на клетки от по 1
байт, които се идентифицират