Основной принцип построения ЭВМ носит название архитектуры фон Неймана - американского ученого венгерского происхождения Джона фон Неймана, который ее предложил.

Современную архитектуру компьютера определяют следующие принципы:

Принцип программного управления. Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий компьютера. Эффективность программного управления будет выше при решении задачи этой же программой много раз (хотя и с разными начальными данными).

Принцип программы, сохраняемой в памяти. Согласно этому принципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в оперативную память, что ускоряет процесс ее выполнения.

Принцип произвольного доступа к памяти. В соответствии с этим принципом, элементы программ и данных могут записываться в произвольное место оперативной памяти, что позволяет обратиться по любому заданному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих.

На основании этих принципов можно утверждать, что современный компьютер - техническое устройство, которое после ввода в память начальных данных в виде цифровых кодов и программы их обработки, выраженной тоже цифровыми кодами, способно автоматически осуществить вычислительный процесс, заданный программой, и выдать готовые результаты решения задачи в форме, пригодной для восприятия человеком.

Персональный компьютер типа IBM PC имеет довольно традиционную архитектуру микропроцессорной системы и содержит все обычные функциональные узлы: процессор, постоянную и оперативную память, устройства ввода/вывода, системную шину, источник питания.

Основные особенности архитектуры персональных компьютеров сводятся к принципам компоновки аппаратуры, а также к выбранному набору системных аппаратных средств.

Основные узлы компьютера следующие:

Центральный процессор - это микропроцессор со всеми необходимыми вспомогательными микросхемами, включая внешнюю кэш-память и контроллер системной шины. (О кэш-памяти подробнее будет рассказано в следующих разделах). В большинстве случаев именно центральный процессор осуществляет обмен по системной шине.

Оперативная память может занимать почти все адресуемое пространство памяти процессора. Однако чаще всего ее объем гораздо меньше. В современных персональных компьютерах стандартный объем системной памяти составляет, как правило, от 64 до 512 Мбайт. Оперативная память компьютера выполняется на микросхемах динамической памяти и поэтому требует регенерации.

Постоянная память (ROM BIOS - Base Input/Output System) имеет небольшой объем (до 64 Кбайт), содержит программу начального запуска, описание конфигурации системы, а также драйверы (программы нижнего уровня) для взаимодействия с системными устройствами.

Контроллер прерываний преобразует аппаратные прерывания системной магистрали в аппаратные прерывания процессора и задает адреса векторов прерывания. Все режимы функционирования контроллера прерываний задаются программно процессором перед началом работы.

Контроллер прямого доступа к памяти принимает запрос на ПДП из системной магистрали, передает его процессору, а после предоставления процессором магистрали производит пересылку данных между памятью и устройством ввода/вывода. Все режимы функционирования контроллера ПДП задаются программно процессором перед началом работы. Использование встроенных в компьютер контроллеров прерываний и ПДП позволяет существенно упростить аппаратуру применяемых плат расширения.

Контроллер регенерации осуществляет периодическое обновление информации в динамической оперативной памяти путем проведения по шине специальных циклов регенерации. На время циклов регенерации он становится хозяином (задатчиком) шины.

Перестановщик байтов данных помогает производить обмен данными между 16-разрядным и 8-разрядным устройствами, пересылать целые слова или отдельные байты.

Часы реального времени и таймер-счетчик - это устройства для внутреннего контроля времени и даты, а также для программной выдержки временных интервалов, программного задания частоты и т.д.

Системные устройства ввода/вывода - это те устройства, которые необходимы для работы компьютера и взаимодействия со стандартными внешними устройствами по параллельному и последовательному интерфейсам. Они могут быть выполнены на материнской плате, а могут располагаться на платах расширения.

Платы расширения устанавливаются в слоты (разъемы) системной магистрали и могут содержать оперативную память и устройства ввода/вывода. Они могут обмениваться данными с другими устройствами на шине в режиме программного обмена, в режиме прерываний и в режиме ПДП. Предусмотрена также возможность захвата шины, то есть полного отключения от шины всех системных устройств на некоторое время.

Важная особенность подобной архитектуры - ее открытость , то есть возможность включения в компьютер дополнительных устройств, причем как системных устройств, так и разнообразных плат расширения. Открытость предполагает также возможность простого встраивания программ пользователя на любом уровне программного обеспечения компьютера.

Первый компьютер семейства, получивший широкое распространение, IBM PC XT, был выполнен на базе оригинальной системной магистрали PC XT-Bus. В дальнейшем (начиная с IBM PC AT) она была доработана до магистрали, ставшей стандартной и получившей название ISA (Industry Standard Architecture). До недавнего времени ISA оставалась основой компьютера.

Однако, начиная с появления процессоров i486 (в 1989 году), она перестала удовлетворять требованиям производительности, и ее стали дублировать более быстрыми шинами: VLB (VESA Local Bus) и PCI (Peripheral Component Interconnect bus) или заменять совместимой с ISA магистралью EISA (Enhanced ISA). Постепенно шина PCI вытеснила конкурентов и стала фактическим стандартом, а начиная с 1999 года в новых компьютерах рекомендуется полностью отказываться от магистрали ISA, оставляя только PCI. Правда, при этом приходится отказываться от применения плат расширения, разработанных за долгие годы для подключения к магистрали ISA.

Другое направление совершенствования архитектуры персонального компьютера связано с максимальным ускорением обмена информацией с системной памятью . Именно из системной памяти компьютер читает все исполняемые команды, и в системной же памяти он хранит данные. То есть больше всего обращений процессор совершает именно к памяти. Ускорение обмена с памятью приводит к существенному ускорению работы всей системы в целом.

Но при использовании для обмена с памятью системной магистрали приходится учитывать скоростные ограничения магистрали. Системная магистраль должна обеспечивать сопряжение с большим числом устройств, поэтому она должна иметь довольно большую протяженность; она требует применения входных и выходных буферов для согласования с линиями магистрали. Циклы обмена по системной магистрали сложны, и ускорять их нельзя. В результате существенного ускорения обмена процессора с памятью по магистрали добиться невозможно.

Разработчиками был предложен следующий подход. Системная память подключается не к системной магистрали, а к специальной высокоскоростной шине, находящейся «ближе» к процессору, не требующей сложных буферов и больших расстояний. В таком случае обмен с памятью идет с максимально возможной для данного процессора скоростью, и системная магистраль не замедляет его. Особенно актуальным это становится с ростом быстродействия процессора (сейчас тактовые частоты процессоров персональных компьютеров достигают 1 - 3 ГГц).

Таким образом, структура персонального компьютера из одношинной, применявшейся только в первых компьютерах, становится трехшинной.

Назначение шин следующее:

к локальной шине подключаются центральный процессор и кэш-память (быстрая буферная память);

к шине памяти подключается оперативная и постоянная память компьютера, а также контроллер системной шины;

к системной шине (магистрали) подключаются все остальные устройства компьютера.

Все три шины имеют адресные линии, линии данных и управляющие сигналы . Но состав и назначение линий этих шин не совпадают между собой, хотя они и выполняют одинаковые функции. С точки зрения процессора, системная шина (магистраль) в системе всего одна, по ней он получает данные и команды и передает данные как в память, так и в устройства ввода/вывода.

Временные задержки между системной памятью и процессором в данном случае минимальны, так как локальная шина и шина памяти соединены только простейшими быстродействующими буферами. Еще меньше задержки между процессором и кэш-памятью, подключаемой непосредственно к локальной шине процессора и служащей для ускорения обмена процессора с системной памятью.

Если в компьютере применяются две системные шины, например, ISA и PCI, то каждая из них имеет свой собственный контроллер шины, и работают они параллельно, не влияя друг на друга. Тогда получается уже четырехшинная, а иногда и пятишинная структура.

	Пример многошинной структуры

В наиболее распространенных настольных компьютерах класса Desktop в качестве конструктивной основы используется системная или материнская плата (motherboard), на которой располагаются все основные системные узлы компьютера, а также несколько разъемов (слотов) системной шины для подключения дочерних плат - плат расширения (интерфейсных модулей, контроллеров, адаптеров). Как правило, современные системные платы допускают замену процессора, выбор его тактовой частоты, замену и наращивание оперативной памяти, выбор режимов работы других узлов.

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.

Архитектура – состав устройств, включаемых в ПК, и организация их вза­и­мо­­действия. Основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой называется общей шиной. Иначе говоря, общая шина это интерфейс объединения модулей в вычислительную систему. А фактически Общая шина или системная магистраль (ОШ, СМ) – пучок проводов, к которому подключются все блоки ПК .(интерфейс- стандарты свя­­зи и вза­и­мо­­дей­ст­вия устройств между собой ).

Минимальная (базовая) конфигурация ПКвключает в себя : 1)системный блок; 2)видео­мо­ни­тор (дисплей); 3)клавиатуру; 4) и как правило, ручной манипулятор (ча­­­ще всего мышь). При расширенной конфигурации к ПК могут подключаться и другие внешние устройства: принтер, модем, сканер, зву­ковые колонки и т.д.

ПК строятся на основе принципа открытой архитектуры : не единая, жест­кая конструкция, а возможность гибкого подключения разных устройств и за­ме­ны этих устройств на новые модификации (upgrade ). Например, можно уста­нав­ли­­вать дополнительные блоки оперативной памяти и жесткие диски. В част­нос­ти, можно ис­поль­­­зо­вать блоки разных производителей (с едиными стандартами свя­­зи и вза­и­мо­­дей­ст­вия – интерфейсом ).

Основной частью ПК является системный блок (Рисунок 3). В системном блоке размещаются основные элементы: 1)системная (ма­те­­ринская) плата (СП); 2)жесткий диск (винчестер); 3)порты – разъемы для подключения внешних устройств; 4)дисководы; 5)блок питания с вен­ти­ля­то­ром (пре­­образует переменный ток в постоянный).

На системной (материнской) плате устанавливаются: 1)микропроцессор (МП); 2)основная (внутренняя) память (=ОЗУ+ПЗУ+Полупостоянная(CMOS)); 3)тай­­мер (с аккумулятором) ведущий отсчет времени (и при выключенном ПК); 4)ге­нератор тактовых импульсов(ГТИ); 5)контроллер прерываний; 6)пучки про­­­­водов (шины, информационные магистрали), обеспечивающие связь между этими бло­ками.

МП (центральный процессор ПК) – основа ПК – обеспечивает собственно об­­ра­ботку информации (данных, чисел). Состоит из управляющего устройства (что и в каком порядке делать) и арифметико-логического устройства , выпол­ня­ющего сами операции.

1)Все операции выполняются над машинными словами двоичными числами (из 0 и 1) расположенными в специ­аль­ных ячейках процессора – регистрах .

2)Из ОЗУ берется машинная команда. В трехадресной команде (бывают одно и двухадресные):

3)Операнд – число из ячейки ОЗУ (или, иногда, указанное в самой МК).

4)Операции – элементарные: сложение, умножение и т.п. двоичных чисел. Все возможности ЭВМ сводятся к ним.

5)В результате выполнения команды определяется по какому адресу ОЗУ брать следующую команду (подряд или БуП или УП).

Каждая операция выполняются за несколько шагов (тактов ), которые производятся сра­зу над несколькими числами. Шаги должны быть синхронизированны .

Рисунок 3 – Структура системного блока персонального компьютера

Для синхронизации операций используется генератор тактовых импульсов (ГТИ) – специальная ми­­к­­ро­схема на СП, которая выдает строго определенное число импульсов в секунду – так­­товая частота процессора . Любая операция (например, ариф­­метическая) выполняется за 1 или несколько (3–4) тактов. У ГТИ – та же роль, что у маятника в механических ча­сах. Быстродействие МП, кроме тактовой частоты, зависит от разрядности про­­цес­сора – числа бит в регистрах, которые обрабатываются параллельно за 1 шаг (такт). Самые большие затраты времени МП получаются при обмене данными с ОЗУ, поэтому про­­цессор снаб­жают «промежуточной», сверхоперативной – кэш-па­мя­тью (действующим хранилищем копий блоков основной памяти, с которыми про­цессор работает в дан­ный момент). Это позволяет быстро обращаться к содержимому отдельных ячеек. Кэш-память первого уровня (самая маленькая и быстрая) в одном кристалле с МП, второго на отдельном кристалле в одном узле с МП, третьего – быс­тро­дей­ст­вующие микросхемы на СП вблизи МП.

Для ускорения работы к МП подключаются сопроцессоры – вспо­мо­га­тель­ные специализированные процессоры, которые могут выполнять только опе­ра­ции определенного типа, но очень быстро: математический, графический, вво­да-вывода . Например, математический сопроцессор реализует в виде специальных электрон­ных схем вычисление стандартных функций (логарифм, корень), каждую из которых иначе приш­лось бы считать большим количеством элементарных сложений, умножений и т.п.

Быстродействие процесора – число операций в секунду (флопсы) из­ме­ря­ет­ся на стандартных тестовых задачах. Величина условная, зависит от состава тес­­та – у од­них быстрее сложение, у других обмен с ОЗУ и т.п. (аналогия с про­жи­точ­ным ми­нимумом и инфляцией). У современных ПК составляет десятки – сотни Ме­гафлопс (миллионов оп/сек). На суперкомпьютерах достигнуты рекордные значения 50 Терафлопс – 50 триллионов оп/сек, планируется 10 Петафлопс – 10*1000 триллионов оп/сек.

Таким образом, быстродействие МП зависит от его характеристик :

1)Тактовая частота – сейчас до нескольких миллиардов тактов в сек (ГГц);

2)Разрядность процессора – обычно 32 или 64 бита;

3)Объемы кэш-памяти – сейчас 1 уровень десятки Кб, 2 – до 2 Мб, 3 – нес­коль­ко Мб. Считается, что кэш-память 256 КБ увеличивает производительность ПК на 20%.

Основные фирмы, которые производят центральные процессоры для ПК это Intel, AMD, IBM

ПК параллельно выполняет несколько задач (программ, процессов). В лю­бой момент может поступить сигнал от внешних устройств (принтер – кон­­­чи­лась бумага, клавиатура – прекратить расчет, переключиться в другое ок­но). Нужно выполнить прерывание – остановить одни задачи (за­пом­нив сос­то­я­ние и про­­межуточные результаты), запустить новые программы (вы­дать со­об­ще­ние о бу­маге на экран). Всё это координируется специальным уп­рав­­­ляющим уст­рой­ст­вом на СП – контроллером прерываний (КП).

Различные устройства подключаются к СП через специальные разъемы (гнезда или слоты) . В них встав­ляются конкретные платы, называемые контроллером или адаптером , обес­пе­чи­вающие управление эти­ми устройствами (монитором, принтером, мышью, дис­ко­водами и т.д.). Конт­рол­лер клавиатуры обычно устанавливается не­посредственно на СП. (Cont­rol – уп­равление, а не только контроль.) Для управления каждым внешним устройством кроме контроллера нужна своя программа – драйвер , которая хранится либо в памяти ПК, либо в специальной па­мя­ти контроллера. Для обеспечения связи между устройствами на СП, а также их связи с под­ключенными через слоты и контроллеры другими устройствами могут использоваться: многосвязный интерфейс – каждая связь двух устройств отдельная линия или односвязный интерфейс – все устройства подключаются к единой линии.

СМ включает 4 основные линии (шины) :

1)Шина данных для передачи операндов.

2)Шина адреса для передачи кодов ячеек памяти и портов.

3)Шина управления для передачи управляющих сигналов всем блокам.

4)Шина питания для передачи всем устройствам напряжения от блока питания.

Некоторые устройства осуществляют интенсивный обмен данными между собой (МП – Основная память, МП – Видеотерминал). Поэтому кро­ме СМ (ОШ) используют локальные шины , напрямую связывающие от­дель­ные устройства. Например, USB шина - интерфейсная шина системного уровня. Позволяет подключать до 256 внешних устройств к од­ному каналу. Обеспечивает «горячее» подключение и отключение устройств к работающему ком­пьютеру. Ско­рость передачи до 800 Мб/сек.

Применяют разные типы (конструкции, стандарты) шин, которые делят на:

1)Шины расширения – универсальные, можно подключать разные устройства.

2)Локальные шины , предназначенные для соединения конкретных типов уст­ройств.

Реально все сложнее – первоначально локальные конструкции шин разви­ва­лись и появлялась возможность подключения к ним других устройств.

Характеристики шин : 1)Рабочая частота – количество тактов передачи в секунду; 2)Скорость передачи данных (Мбайт/сек); 3)Разрядность шины данных –сколько бит может передаваться од­но­вре­мен­но; 4)Разрядность адресной шины , от которой зависит адресное пространство – с ка­­кой емкостью ОЗУ можно работать: а) 24 разряда –> 2 24 байт = 16 Мбайт; б) 32 разряда –> 2 32 байт = 4 Гбайт.

Наиболее распространенные типы (стандарты) шин:

ISA (IndustryStandardArchitecture), использовалась в ранних ПК сейчас устарела. Ра­­бочая час­тота 8 МГц, скорость передачи 5,5 Мб/сек, шина данных 16 разрядов, адресная – 24.

EISA (ExtendedISA) – усовершенствованный вариант. Ра­бочая частота 10–20 МГц, ско­рость передачи до 32 Мб/сек, шины данных и адресная по 32 разряда.

VLB (VESALocalBus– локальная шина стандартаVESA–VideoElec­tro­nicsStandardsAs­­sociation– Ассоциация стандартов видеооборудования) – ло­каль­ная шина для связи МП и ОП, к которой потом стали подключать монитор. Ра­бочая частота до 50 МГц, ско­рость передачи до 50 Мб/сек, есть варианты с 32 и с 64 разрядами обеих шин.

PCI (PeripherialComponentIterconnect) – создана как ло­каль­ная, но возможности рас­ши­ре­ны и теперь можно подключать разные устройства, в т.ч. шиныEISA. Ра­бочая частота до 66 МГц. Варианты: 33МГц – 264 Мб/сек – 32 разряда; 66МГц – 528 Мб/сек – 64 разряда.

AGP (Advanced Graphic Port) – ло­каль­ная для подключения монитора (видеоадаптера). Ра­­­бочие частоты 33 и 66 МГц, скорость передачи до 1066 Мб/сек.

USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная магистраль). Используется для подключения внешних устройств к СМ. Позволяет подключать до 256 внешних устройств к од­ному каналу. Обеспечивает «горячее» подключение и отключение устройств к работающему ком­пьютеру. Ско­рость передачи до 800 Мб/сек.

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:

1. Использование двоичной системы счисления в ПК , в которой устройствам гораздо проще выполнять арифметико-логические операции, чем в десятичной.
2. 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.
3. Данные и программы хранятся в памяти ПК . Команды и данные кодируются одинаково в двоичной системе.
4. Ячейки памяти ПК имеют последовательно пронумерованные адреса. Возможность обращения к любой ячейке памяти по ее адресу позволила использовать переменные в программировании.
5. 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.

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:

1. Процессор – основополагающий элемент всего функционала компьютера;
2. Системная плата, ее еще называют «материнской»;
3. Блок питания – необходим для энергоснабжения ПК;
4. Жесткий диск – хранилище информации на ПК или ноутбуке;
5. Оптический привод – устройство для чтения с внешних носителей, который редко встречается на новейших системах;
6. 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.