Компьютерная архитектура (computer architecture) – это разработанный Джоном фон Нейманом набор правил и методов описания функций, которые участвуют в организации работы компьютерных систем. Впервые документальное упоминание данного термина найдено в переписке английского ученого Чарльза Бэббиджа с писательницей и математиком Адой Лавлейс в первой половине ХХ века.
Понятие архитектуры персонального компьютера (ПК) дает нам представление о том, как он устроен, как разные устройства взаимодействуют друг с другом. Они подсоединяются по определенной схеме, а ее вариации и будут разновидностями архитектурных систем.
Любой современный персональный компьютер или ноутбук – это сложное многофункциональное устройство, а не просто мультиплатформенная игровая приставка. Всего можно выделить пять уровней архитектуры электронно вычислительных машин (ЭВМ):
- нулевой уровень;
- первый уровень – микроархитектура компьютера;
- второй – системные команды;
- третий – операционная система;
- четвертый – прикладные и системные программы;
- пятый – уровень высокого языка.
Основные узлы компьютера
Комплекс нескольких логических схем и элементов памяти, создающих выходные сигналы, является узлом ПК. Абсолютно все компьютерные программы или игры имеют требования к основным характеристикам для корректной работы. Все узлы компьютера должны быть максимально совместимы друг с другом. В противном случае работать в программах будет некомфортно.
К перечню подобных узлов системного блока обычно относят:
- Процессор – основополагающий элемент всего функционала компьютера;
- Системная плата, ее еще называют «материнской»;
- Блок питания – необходим для энергоснабжения ПК;
- Жесткий диск – хранилище информации на ПК или ноутбуке;
- Оптический привод – устройство для чтения с внешних носителей, который редко встречается на новейших системах;
- Разъемы для подключаемых устройств.
Классическая архитектура
Классическую концепцию построения компьютера по готовой логической схеме предложил математик Нейман в 1945 году. В ходе обсуждений и в рамках проектирования компьютера EDVAC было решено использовать память для хранения ряда инструкций и данных. Принципиально новая концепция Джона фон Неймана стала общепринятым стандартом и основой не для одного поколения персональных компьютеров. Главный ее принцип заключен в наличии пяти важных компонентов :
В условиях данной схемы функционирования, должен прослеживаться определенный алгоритм. Если в память ПК направляются данные для обработки из какой-либо программы, то потом они должны выводиться при помощи наружного устройства. После, управляющее устройство должно проанализировать полученную информацию и отправить на дальнейшее выполнение. Возможно придется задействовать другие составляющие ПК.
Современные тенденции развития архитектуры персонального компьютера
В современных персональных компьютерах архитектура характеризуется наличием контроллеров. Их появление – это итог пересмотра классической концепции. Теперь микропроцессор берет на себя функцию обмена данными с внешними устройствами. Производители смогли отделить микропроцессор от многофункционального компонента при помощи обнаруженных особенностей интегральных схем. Так возникли разные каналы обмена , в том числе и периферийные микросхемы, позднее их стали называть контроллерами. Сегодня подобные аппаратные компоненты в компьютерах научились управлять практически любым оборудованием.
Новейшие архитектуры ПК преимущественно используют шины. Эти каналы связи обеспечивают взаимодействие всех аппаратных элементов и обычно выглядят как электрическое соединение с проводниками. В ее структуру могут включаться специализированные модули, которые отвечают за различные функции.
Графически архитектура современного компьютера выглядит так:
Архитектура IBM
Такой тип как открытая архитектура позволяет свободно подключать любую периферию к компьютеру. Достигнуто это благодаря использовании информационной шины (ее объем можно узнать из характеристик материнской платы). Она позволила производителям периферийного оборудования разработать контроллеры для любых стандартов.
Управление системой осуществляется непосредственно процессором. Под его же управлением находятся информационная шина. Современный принцип открытой архитектуры ПК подразумевает наличие функциональных и центральных контроллеров.
Функциональные контроллеры обеспечивают подключение модема, мыши, клавиатуры и принтера.
Архитектура IBM предоставляет собой набор инструкции по созданию приложений в облаке. Эталоном считается базовый шаблон в то время как реализация – это определенные технологии, методы и выбор инструмента для создания и развертывания этого шаблона.
Многопроцессорная архитектура
Архитектура по типу МВС (многопроцессорных вычислительных систем) включает в себя несколько самостоятельных ЭВМ, каждая из которых имеет свой собственный набор периферийных устройств, оперативную память, процессор и управляется своей операционной системой. Различают три вида связи между ними: слабую (косвенную), прямую и сателлитную.
В косвенно-связанных системах машины связаны только внешним запоминающим устройством. При этом каждая ЭВМ, согласно своим программам, помещает информацию на внешнее запоминающее устройство, а другая, руководствуясь собственной программой, извлекает ее. Такая связь используется для повышения надежности комплекса путем создания резервных вычислительных машин, которые при необходимости возьмут на себя задачи основной ЭВМ.
Прямосвязанные МВС обладают особенной гибкостью поскольку могут связываться между собой через общее запоминающее устройство, напрямую от процессора к процессору и через адаптер. Связь осуществляется на информационно-командном уровне, но более эффективно.
Для сателлитных систем свойственно опираться не на способ связи, а на принцип взаимодействия ЭВМ. Но в тоже время структура связи не отличается от предыдущих.
ЭВМ с несколькими процессорами способны организовать множество потоков данных и команд, а несколько фрагментов одной задачи выполнять параллельно.
Таким образом создание различных архитектур вызвано растущими потребностями человека – скоростью, эффективностью и мобильностью.
Архитектура персонального компьютера (ПК) включает в себя структуру, которая отражает состав ПК, и программное обеспечение.
– это набор его функциональных элементов (от основных логических узлов до простейших схем) и связей между ними.
Архитектура определяет принципы действия , информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов ПК, к которым относят процессор, оперативное запоминающее устройство, внешние запоминающие устройства и периферийные устройства.
Основным принципом построения всех современных ПК является программное управление.
Классическая архитектура фон Неймана
В $1946$ году американские математики Джон фон Нейман , Герман Голдштейн и Артур Бёркс в совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. На основе этих принципов производилось $1$-е и $2$-е поколение компьютеров. В следующих поколениях происходили некоторые изменения, но принципы фон Неймана (как они были названы) сохранялись.
Основные принципы фон Неймана:
- Использование двоичной системы счисления в ПК , в которой устройствам гораздо проще выполнять арифметико-логические операции, чем в десятичной.
- Программное управление ПК . Работа ПК управляется программой, которая состоит из набора команд, выполняющихся последовательно одна за другой. Создание машины с хранимой в памяти программой положило начало программированию.
- Данные и программы хранятся в памяти ПК . Команды и данные кодируются одинаково в двоичной системе.
- Ячейки памяти ПК имеют последовательно пронумерованные адреса. Возможность обращения к любой ячейке памяти по ее адресу позволила использовать переменные в программировании.
- Возможность условного перехода при выполнении программы. Команды в ПК выполняются последовательно, но при необходимости можно реализовать переход к любой части кода.
Основным принципом было то, что программа уже стала не постоянной частью машины, а изменяемой, в отличие от аппаратуры, которая остается неизменной и очень простой.
Фон Нейманом также была предложена структура ПК (рис. 1).
Рисунок 1. Структура ПК
В состав машины фон Неймана входили:
- запоминающее устройство (ЗУ);
- арифметико-логическое устройство (АЛУ), которое выполняло все арифметические и логические операции;
- устройство управления (УУ), которое координирует действия всех узлов машины в соответствии с программой;
- устройства ввода-вывода.
Программы и данные вводились в ЗУ из устройства ввода через АЛУ. Все команды программы записывались в ячейки памяти последовательно, а данные для обработки – в произвольные ячейки.
Команда состояла из указания операции, которую необходимо выполнить, и адресов ячеек памяти, в которых хранятся данные и над которыми необходимо выполнить нужную операцию, а также адреса ячейки, в которую необходимо записать результат (для хранения в ЗУ).
Из АЛУ результаты выводятся в ЗУ или устройство вывода. Принципиально эти устройства отличаются тем, что в ЗУ данные хранятся в удобном для обработки ПК виде, а на устройства вывода (монитор, принтер и т.п.) в удобном для человека.
От УУ на другие устройства поступают сигналы с командами, а от других устройств УУ получает информацию о результате их выполнения.
В УУ содержится специальный регистр (ячейка) – счетчик команд , в который записывается адрес первой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое соответствующей ячейки памяти и помещает его в специальное устройство – регистр команд . УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.
После выполнения команды счетчик команд увеличивается на $1$ и указывает на следующую команду программы. При необходимости выполнения команды, которая не следует по порядку за текущей, специальная команда перехода содержит адрес ячейки, в которую нужно передать управление.
Архитектура современных ПК
В основу архитектуры современных ПК заложен магистрально-модульный принцип . ПК состоит из отдельных частей – модулей, которые являются относительно самостоятельными устройствами ПК (напрмер, процессор, оперативная память, контроллер, дисплей, принтер, сканер и т.д.).
Модульный принцип позволяет пользователю самостоятельно комплектовать необходимую конфигурацию ПК и производить при необходимости его обновление. Модульная организация системы опирается на магистральный принцип обмена информацией. Для работы ПК как единого механизма необходимо осуществлять обмен данными между различными устройствами, за что отвечает системная (магистральная) шина , которая выполняется в виде печатного мостика на материнской плате.
Основные особенности архитектуры ПК сводятся к принципам компоновки аппаратуры, а также к выбранному набору системных аппаратных средств.
Подобная архитектура характеризуется ее открытостью – возможностью включения в ПК дополнительных устройств (системных и периферийных), а также возможностью простого встраивания программ пользователя на любом уровне программного обеспечения ПК.
Замечание 1
Также совершенствование архитектуры ПК связано с максимальным ускорением обмена информацией с системной памятью. Именно из системной памяти, в которой хранятся данные, ПК считывает все исполняемые команды. Таким образом больше всего обращений центральный процессор совершает к памяти и ускорение обмена с памятью приведет к существенному ускорению работы всей системы в целом.
Т.к. при использовании системной магистрали для обмена процессора с памятью приходится учитывать скоростные ограничения самой магистрали, то существенного ускорения обмена данными с помощью магистрали добиться невозможно.
Для решения этого вопроса был предложен следующий подход. Системная память вместо системной магистрали подключается к специальной высокоскоростной шине, которая дистанционно находится ближе к процессору и не требует сложных буферов и больших расстояний. В этом случае обмен с памятью идет с максимально возможной для процессора скоростью, и системная магистраль не замедляет его. Особенно актуальным это решение стало с ростом быстродействия процессора.
Таким образом, структура ПК из одношинной, которая применялась только в первых компьютерах, становится трехшинной .
Рисунок 2. Трехшинная структура ПК
АЛУ и УУ в современных ПК образуют процессор. Процессор, который состоит из одной или нескольких больших интегральных схем, называется микропроцессором или микропроцессорным комплектом.
Многопроцессорная архитектура ПК
Наличие в ПК нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и команд , т.е. одновременно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи.
Рисунок 3. Архитектура многопроцессорного ПК
Многомашинная вычислительная система
В архитектуре многомашинной вычислительной системы каждый процессор имеет свою оперативную память. Применение многомашинной вычислительной системы эффективно при решении задач, которые имеют очень специальную структуру, которая должна состоять из такого количества ПК, на сколько слабо связанных подзадач разбита система.
Многопроцессорные и многомашинные вычислительные системы имеют преимущество перед однопроцессорными в быстродействии.
Архитектура с параллельными процессорами
В данной архитектуре несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе, т. е. по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных.
Рисунок 4. Архитектура с параллельным процессором
В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений. Существуют и другие архитектурные решения, отличные от рассмотренных выше.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Государственное бюджетное образовательное учреждение
Среднего профессионального образования
Ростовской области
«Ростовский строительный колледж»
на тему: «Архитектура ПК»
Работу выполнила:
Студентка группы А-21
Павлова Н.В.
Ростов-на-Дону 2014
Введение
1. Понятие персональный компьютер
2. Понятие архитектуры персонального компьютера
3. Внутренние устройства персонального компьютера
4. Внешние устройства персонального компьютера
Введение компьютер микропроцессор логический
Бурное развитие информационных технологий и их основной технической базы - компьютеров, приводит к большему насыщению ими практически всех сфер деятельности человека. В этих условиях для студента необходимо знание основ аппаратной части компьютера, его основных технических характеристик и функциональных возможностей. Такое знание дает возможность более осознанно осуществлять выбор, организовывать обслуживание, модернизацию персональных компьютеров, планировать развитие компьютера как для личного пользования так и для профессионального использования, что является наиболее актуальным.
Компьютер представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами.
Компьютер - это многофункциональное электронное устройство для накопления, обработки и передачи информации
Архитектура персонального компьютера -- компоновка его основных частей, таких как процессор, ОЗУ, видеоподсистема, дисковая система, периферийные устройства и устройства ввода-вывода.
Архитектура ПК определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера:
Центрального процессора;
Основной памяти;
Внешней памяти;
Периферийных устройств.
1. Внутренние устройства компьютера
v Самым главным элементом в компьютере, его "мозгом" является микропроцессор. Микропроцессор - это электронная схема, выполняющая все функции обработки информации и управление всеми блоками ЭВМ. Конструктивно представляет собой один кристалл 4-6 см2.
В состав микропроцессора входят следующие блоки:
1. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - это устройство, выполняющее логические и арифметические операции в двоичной системе исчисления.
2. Память микропроцессора - это память регистров, в которых хранятся данные и их адреса
3. Кэш память - быстрая память повышает производительность работы микропроцессора за счет буферизации часто используемых команд
4. Управляющее устройство (УУ) - это устройство обеспечивает режим многозадачности, который способствует организации работы ЭВМ, при которой в её памяти одновременно содержатся программы и данные для решения нескольких задач. Многозадачность осуществляется за счет системы прерываний и защиты памяти
5. Магистраль микропроцессора - она предназначена для обмена информации между блоками микропроцессора.
Интерфейсная система микропроцессора - реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной.
v Также в компьютере важную роль играет запоминающее устройство
Запоминающее устройство - это блок ЭВМ, предназначенный для временного (оперативная память) и продолжительного (постоянная память) хранения программ, входных и результирующих данных, а также промежуточных результатов.
Виды ЗПУ:
1. ОЗУ (оперативная память) - это быстро действующее запоминающее устройство, сравнительно небольшого объема, в котором хранится выполняемая в текущий момент программа и ее данные.
2. Кэш память - это сверхбыстрая память, предназначенная для хранения промежуточных результатов.
3. ПЗУ (постоянная память) - это память предназначена для хранения системных и вспомогательных программ (Bios), она энергонезависима, но скорость обмена данными в подавляющем большинстве случаев, значительно меньше.
v Шина - системная плата, обеспечивающая ввод-вывод информации. Характеристикой шины является скорость обмена. Основные типы шин (расположены в порядке улучшения характеристик): ISA, EISA, VESA, PCI, AGP. Разъёмы-"слоты" стандарта PCI родился он около 10 лет назад и сегодня является основным стандартом слотов для подключения дополнительных устройств.
Системная шина включает в себя:
кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;
кодовую шину адреса (КША), включающую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;
кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины;
шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.
Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:
Между микропроцессором и основной памятью;
Между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
Между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти)
v Жесткий диск (винчестер, HDD) - предназначен для постоянного хранения информации, используемой при работе компьютера: операционной системы, документов, игр и т.д. Основными характеристиками жесткого диска являются его емкость, измеряемая в гигабайтах (Гб), скорость чтения данных, среднее время доступа, размер кэш-памяти. Информация хранится на одной или нескольких круглых пластинках с магнитным слоем, над которыми летают магнитные записывающие головки. Винчестеры подключаются к материнской плате с помощью специальных шлейфов-кабелей, каждый из которых рассчитан на два устройства.
v Устройство для чтения компакт-дисков (CD-ROM) предназначено для чтения записей на компакт-дисках. Достоинства устройства - большая емкость дисков, быстрый доступ, надежность, универсальность, низкая стоимость. Основное понятие, характеризующее работу данного устройства - скорость. Самые первые CD-ROM - 1-скоростные. Сейчас появились 52-скоростные CD-ROM. Что значит 52 скоростной привод? Это значит, что он читает данные в 52 раза быстрее самого первого 1 скоростного (150 Кб/с) CD-ROM. Следовательно, 52 умножаем на 150… 7800 килобайт в секунду! Главный недостаток стандартных дисководов CD-ROM - не возможность записи информации.
Для этого необходимы другие устройства:
CD-R - дисковод с возможностью однократной записи информации на специальный диск, в России их называют "болванками". Запись на эти диски осуществляется благодаря наличию на них особого светочувствительного слоя, выгорающего под воздействием высокотемпературного лазерного луча.
CD-RW - дисковод с возможностью многократной записи информации. Это устройство работает совершенно по другому принципу и совсем другими дисками, чем CD-R.
В последнее время всё большее распространение получает DVD-ROM - устройство, предназначенное для чтения дисков формата DVD.
v BIOS (Basic Input - Output System) - базовая система ввода-вывода - микросхема, установленная на материнской плате. Именно здесь хранятся основные настройки компьютера. С помощью BIOS можно изменить скорость работы процессора, параметры работы для других внутренних и некоторых внешних устройств компьютера. BIOS - это первый и самый важный из мостиков, связующий между собой аппаратную и программную часть компьютера. Поэтому для современных BIOS немало важными особенностями является возможность её обновления, работы со стандартом Plag&Play возможность загрузки компьютера с CD-ROM, сети и дисководов ZIP.
v Источник питания. Это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.
v Таймер. Это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания - аккумулятору и при отключение машины от сети продолжает работать.
2. Внешние устройства компьютера
v Клавиатура - устройство, предназначенное для ввода в компьютер информации от пользователя. Современная клавиатура состоит из 104 укреплённых в едином корпусе клавиш.
v Мышь - манипулятор для ввода информации в компьютер. Он необходим для работы с графическими пакетами, чертежами, при разработке схем и при работе в новых операционных системах.
v Джойстик - манипулятор в виде укрепленной на шарнире ручки с кнопками, употребляется в компьютерных играх.
v Монитор (дисплей) - устройство, предназначенное для вывода на экран текстовой и графической информации.
v Принтер - устройство, предназначенное для вывода текстовой и графической информации на бумагу. Различают матричные, струйные и лазерные принтеры (расположены в порядке улучшения качества и скорости печати). Принтеры бывают цветные (струйные и лазерные) и черно-белые (матричные и лазерные).
v Сканер - устройство для ввода в компьютер текстовой и графической информации. Сканеры бывают ручные, настольные планшетные и даже напольные.
v Плоттер - устройство, позволяющее выводить графическую информацию на бумагу или другие носители. Типовые задачи для плоттеров - выполнение различных чертежей, схем, рисунков, графиков, карт и т.п.
v Модем (модулятор-демодулятор)- устройство, позволяющее компьютеру выходить на связь с другим компьютером посредством телефонных линий. По своему внешнему виду и месту установки модемы подразделяются на внутренние (internal) и внешние (external). Внутренние модемы представляют собой электронную плату, устанавливаемую непосредственно в компьютер, а внешние - автономное устройство, подсоединяемое к одному из портов. Внешний модем стоит дороже внутреннего того же типа из-за внешней привлекательности и более легкой установки. Основной параметр в работе модема - скорость передачи данных.
Заключение
Развитие электронной промышленности и компьютеростроения осуществляется такими быстрыми темпами, что буквально через 1-2 года, сегодняшнее " чудо техники" становится морально устаревшим. Однако принципы устройства компьютера остаются неизменными еще с того момента как знаменитый математик Джон фон Нейман в 1945 году подготовил доклад об устройстве и функционировании универсальных вычислительных устройств, т.е. компьютеров.
1. https://ru.wikipedia.org/wiki
2. http://imcs.dvfu.ru/lib/eastprog/architecture.html
3. http://rechkate.ru/informatika/arhitektura-pk
4. http://www.lessons-tva.info/edu/e-inf1/e-inf1-2-2.html
5. http://wiki.kem-edu.ru/index.php
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Классическая архитектура компьютера. Понятие разрядной сетки. Устройство ввода-вывода. Арифметическо-логическое устройство, структура регистров АЛУ, куда помещаются исходные и результирующие данные, а также размер регистров (число двоичных разрядов t).
презентация , добавлен 29.11.2013
Архитектура современного персонального компьютера. Виды и характеристики центральных и внешних устройств ЭВМ. Структурная и функциональная схемы персонального компьютера. Устройства для ввода информации в системный блок и для отображения информации.
курсовая работа , добавлен 18.01.2012
История создания вычислительной техники. Организация вычислительного устройства ("архитектура фон Неймана"). Устройства ввода информации, ее обработки, хранения и вывода. Мониторы общего и профессионального назначения, их сравнительная характеристика.
реферат , добавлен 25.11.2009
Магистрально-модульный принцип построения компьютера. Магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами. Внутреннее устройство персонального компьютера: состав и назначение основных блоков. Устройства ввода и вывода информации.
реферат , добавлен 19.11.2009
Фактор программного управления компьютером. Магистрально-модульный принцип построения. Джойстик - устройство-манипулятор для ввода информации о движениях руки. Состав системного блока. Устройства для вывода информации из памяти компьютера к пользователю.
презентация , добавлен 23.02.2015
Сферы применения персонального компьютера (ПК). Основные блоки ПК, способы компьютерной обработки информации. Устройства ввода и вывода, хранения информации: системный блок, клавиатура, монитор, мышь, сканер, дигитайзер, принтер, дисковый накопитель.
презентация , добавлен 25.02.2011
Основные части персонального компьютера: системный блок, устройства ввода и вывода информации. Основные элементы системного блока: материнская плата, процессор, оперативная память, кэш-память, накопители. Операционная система, объекты Windows, окна.
реферат , добавлен 21.09.2009
Описание, характеристика и принципы работы основных компонентов современного персонального компьютера. Принципы адрестности, однородности памяти и принцип программного управления. Периферийные устройства ввода информации. Центральные элементы.
реферат , добавлен 07.11.2008
Устройство персонального компьютера: системный блок, система охлаждения, материнская плата, процессор, видеокарта, звуковая карта. Память, устройство хранения информации. Устройство ноутбука Asus N53SM: клавиатура и тачпад, технические характеристики.
реферат , добавлен 05.12.2012
Сущность компьютера как своеобразного вычислителя. Характеристика микропроцессора – главного элемента компьютера, его электронной схемы, выполняющей все вычисления и обработку информации. История компьютерной техники. Работа звуковой карты, клавиатуры.
Персональный компьютер является устройством автоматизации информационных процессов и используется для накопления, обработки и передачи информации.
Компьютер - это многофункциональное электронное устройство, предназначенное для накопления, обработки и передачи информации. Под архитектурой персонального компьютера понимается его логическая организация, структура и ресурсы, т. е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени.
В основу построения большинства компьютеров положены принципы, сформулированные Джоном фон Нейманом.
Принцип программного управления - программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
Принцип однородности памяти - программы и иные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять те же действия, что и над данными!
Принцип адресности - основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек.
Компьютеры, построенные на этих принципах, имеют классическую архитектуру.
Архитектура компьютера определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера, к которым относятся:
· центральный процессор;
· основная память;
· внешняя память;
· периферийные устройства.
Конструктивно персональные компьютеры выполнены в виде центрального системного блока, к которому через специальные разъемы присоединяются другие устройства. В состав системного блока входят все основные узлы компьютера:
· системная плата;
· блок питания;
· накопитель на жестком магнитном диске;
· накопитель на гибком магнитном диске;
· накопитель на оптическом диске;
· разъемы для дополнительных устройств.
· На системной (материнской) плате в свою очередь размещаются:
· микропроцессор;
· математический сопроцессор;
· генератор тактовых импульсов;
· микросхемы памяти;
· контроллеры внешних устройств;
· звуковая и видеокарты;
· таймер.
Архитектура современных персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе. Модульный принцип позволяет пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный принцип обмена информацией. Все контроллеры устройств взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, называемую системной шиной. Системная шина выполняется в виде печатного мостика на материнской плате.
Микропроцессор - это центральный блок персонального компьютера, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.
Системная шина является основной интерфейсной системой компьютера, обеспечивающей сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:
· между микропроцессором и основной памятью;
· между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
· между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств.
Порты ввода-вывода всех устройств через соответствующие разъемы (слоты) подключаются к шине либо непосредственно, либо через специальные контроллеры (адаптеры).
Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками компьютера.
Внешняя память используется для долговременного хранения информации, которая может быть в дальнейшем использована для решения задач. Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических символов, частота которых задает тактовую частоту компьютера. Промежуток времени между соседними импульсами определяет такт работы машины.
Источник питания - это блок, содержащий системы автономного и сетевого питания компьютера.
Таймер - это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие автоматический съем текущего момента времени. Таймер подключается к автономному источнику питания и при отключении компьютера от сети продолжает работать.
Внешние устройства компьютера обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими компьютерами.
Основными функциональными характеристиками персонального компьютера являются:
· производительность, быстродействие, тактовая частота. Производительность современных ЭВМ измеряют обычно в миллионах операций в секунду;
· разрядность микропроцессора и кодовых шин интерфейса. Разрядность - это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК;
· типы системного и локальных интерфейсов. Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды;
· емкость оперативной памяти. Емкость оперативной памяти измеряется обычно в Мбайтах. Многие современные прикладные программы с оперативной памятью, имеющей емкость меньше 16 Мбайт, просто не работают либо работают, но очень медленно;
· емкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера). Емкость винчестера измеряется обычно в Гбайтах;
· тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках. Сейчас применяются накопители на гибких магнитных дисках, использующие дискеты диаметром 3,5 дюйма, имеющие стандартную емкость 1,44 Мб;
· наличие, виды и емкость кэш-памяти. Кэш-память - это буферная, недоступная для пользователя быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Наличие кэш-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность персонального компьютера примерно на 20%;
· тип видеомонитора и видеоадаптера;
· наличие и тип принтера;
· наличие и тип накопителя на компакт дисках CD-ROM;
· наличие и тип модема;
· наличие и виды мультимедийных аудиовидео-средств;
· имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы;
· аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ. Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ означает возможность использования на компьютере, соответственно, тех же технических элементов и программного обеспечения, что и на других типах машин;
· возможность работы в вычислительной сети;
· возможность работы в многозадачном режиме. Многозадачный режим позволяет выполнять вычисления одновременно по нескольким программам (многопрограммный режим) или для нескольких пользователей (многопользовательский режим);
· надежность. Надежность - это способность системы выполнять полностью и правильно все заданные ей функции;
· стоимость;
· габаритами вес.
Архитектура персонального компьютера определяется в первую очередь его внутренним устройством: центральным процессором и подсистемами памяти, внутримашинным интерфейсом, а также подсистемами ввода-вывода информации (рис. 3.3).
Центральным блоком персонального компьютера является микропроцессор, управляющий всеми другими устройствами компьютера и выполняющий арифметические и логические операции с данными. В состав микропроцессора входят:
устройство управления (УУ), формирующее па основе опорных сигналов тактового генератора сигналы управле-
Рис. 3.3.
ния, а также адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передающее их в соответствующие блоки;
- арифметико-логическое устройство (АЛУ), предназначенное для выполнения всех арифметических и логических операций над данными;
- микропроцессорная память (МПП), служащая для кратковременного хранения, записи и выдачи данных, непосредственно используемых в вычислениях в ближайшие такты машины. Микропроцессорная память реализована в виде регистров – быстродействующих устройств, предназначенных для временного хранения данных ограниченного размера. Как правило, регистры имеют ту же разрядность, что и машинное слово (двоичное число, обрабатываемое за один такт);
- интерфейсная система микропроцессора (ИСМ), реализующая сопряжение (связь) микропроцессора с другими устройствами компьютера. Включает внутренний интерфейс микропроцессора, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной.
Основной интерфейсной системой компьютера, обеспечивающей сопряжение и связь всех его устройств между собой, является системная шина (магистраль), в состав которой входят следующие компоненты:
- шина данных для параллельной передачи всех разрядов машинного слова данных;
- шина адреса из проводов и схем сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;
- шина управления для передачи управляющих сигналов во все блоки компьютера.
Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:
- между микропроцессором и основной памятью;
- микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
- основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).
Все блоки компьютера (их порты ввода-вывода) через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется, как правило, контроллером шины , формирующим основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.
Основная память компьютера предназначена для хранения и оперативного обмена информацией между блоками компьютера. Содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ):
- ПЗУ хранит неизменяемую (постоянную) программную информацию и позволяет только считывать хранящуюся в нем информацию. Здесь хранятся программы тестирования оборудования ПК, обслуживания ввода/вывода, некоторые данные и др. При выключении электропитания компьютера содержимое постоянной памяти сохраняется;
- ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в процессе работы ПК. Главное достоинство оперативной памяти – ее высокое быстродействие и возможность прямого обращения к каждой адресуемой группе из восьми ячеек памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). Память называется оперативной потому, что работает так быстро, что процессору почти не приходится ждать при чтении данных из памяти и записи в нее. При выключении питания ПК вся информация ОЗУ стирается. Объем установленной в компьютере оперативной памяти определяет, с каким программным обеспечением можно на нем работать. При недостаточном объеме оперативной памяти многие программы либо не работают, либо работают медленно.
Внешняя память ПК относится к внешним устройствам и используется для долговременного хранения информации. Устанавливаемое и все прикладное программное обеспечение компьютера хранится во внешней памяти. К внешней памяти компьютера относятся разнообразные запоминающие устройства, но основными являются накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД). Назначение этих дисков – хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. В качестве устройств внешней памяти используются также запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (стримеры), накопители на оптических дисках, флеш-карты и др.
Генератор тактовых импульсов (ГТИ) генерирует последовательность электрических импульсов. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы компьютера. Частота ГТИ – одна из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, так как каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.
Источник питания (ИП) компьютера представляет собой блок, содержащий системы энергопитания узлов ПК.
К внешним устройствам персонального компьютера кроме внешней памяти относятся разнообразные устройства ввода/вывода информации, и основными здесь являются видеомонитор, клавиатура, мышь.
