Принципы построения персональных компьютеров

Все современные ПКимеют магистрально – модульный тип архитектуры. Архитектура компьютера – это логическая организация работы его устройств, структура, ресурсы. Современные компьютеры имеют «неймановскую архитектуру». Для организации передачи информации между устройствами компь­ютера используются специальные магистрали.

Магистраль – набор электронных линий, связывающих воедино центральный процессор, системную память и периферийные устройства по адресации памяти для передачи данных и управляющих сигналов.

Магистральный принцип обмена информацией основан на том, что передача информации между отдельными устройствами (модулями) компьютера осу­ществляется по трем многоразрядным шинам, которые объединяют все моду­ли: шины данных, адресов и управления.

Электрическая шина – это провода, обеспечивающие передачу электрического сигнала. Шина заканчивается разъемом, к которому могут подключаться необходимые устройства.

Информация по шине данных может передаваться в двух направлениях: от процессора к какому – либо устройству и наоборот. Любая информация, пере­даваемая по шине данных, сопровождается адресом, который передается по шине адресов. Шина управления передает служебные сигналы, которые опре­деляют характер обмена информацией (ввод – вывод) или синхронизируют вза­имодействие устройств, принимающих участие в обмене информацией.

Устройства ПК представляют со­бой отдельные модули, которые подключаются к магистрали с помощью контроллеров. Управление контроллерами на программном уровне обеспечива­ется специальными программами – драйверами устройств. Контроллеры одного или нескольких устройств монтируются на отдельных платах, кото­рые называются адаптерами. Именно контроллер принимает сигнал от про­цессора и дешифрует его для данного устройства. За работу конкретного устройства отвечает не процессор, а контроллер, что позволяет свободно менять внешние устройства. Модульный принцип позволяет подключать и заменять периферийные устройства, увеличить внутреннюю память, т.е. позволяет пользователю самому ком­плектовать нужную конфигурацию компьютера или проводить его модер­низацию.

ПК имеет две основные составляющие – аппаратное и программное обеспечение.

Аппаратное обеспечение ПК – физическое оборудование, составляющее компьютер. Все устройства, составляющие аппаратное обеспечение ПК, взаимосвязаны между собой, каждое из них выполняет свою функцию. Вместе они обеспечивают полноценную обработку всех видов данных. Внутренняя архитектура компьютера – это те устройства, которые обеспечивают процессы накопления, обработки, хранения, представления и передачи информации внутри ПК. Большинство из них расположе­но в системном блоке. Внутренняя архитектура ПК схематично представлена на рисунке 2.21.

Процессор – главный элемент компьютера. Процессор выполняет все арифметические вычисления и логическую обработку данных. Важнейшей характеристикой любого процессора является его быстродействие. От быстродействия процессора во многом зависит время реализации программ на данном компьютере.

Быстродействие процессора определяется тактовой частотой его работы и обычно измеряется в мегагерцах (МГц). Импульсы тактовой частоты вырабатываются с помощью кварцевого генератора, основой которого является кристалл кварца. Для выполнения одной команды процессор затрачивает определенное число тактов. Чем выше тактовая частота, на которой работает процессор, тем больше в единицу времени выполняется команд. За счет параллельного исполнения команд в современных процессорах в среднем выполняется одна команда за один такт.

Различное количество тактов в процессорах затрудняет их сравнение с использованием только тактовой частоты. Среднее количество операций, выполняемое за один такт работы процессора, принято называть производительностью. Сравнивая два процессора, необходимо рассматривать быстродействие и тактовую частоту работы в совокупности. Даже при неизменной тактовой частоте, чем меньше тактов затрачивает в среднем процессор на исполнение команды, тем выше его производительность.
Процессор характеризуется также разрядностью шин данных и адресов.

Шина данных предназначена для передачи и приема данных. С помощью этой шины процессор связан с оперативной памятью. От разрядности этой шины зависит производительность процессора. Разрядность шины определяет скорость передачи и приема данных за один такт. В современных процессорах используются 64–ёх разрядные шины данных, поэтому они могут передавать и принимать по 64 бита за один такт.

Шина адреса – это набор проводников, по которым передается адрес ячейки памяти для приёма или передачи данных. От разрядности шины адресов зависит число адресуемых ячеек памяти. Разрядность шины адресов определяет максимальный объем памяти, адресуемой процессором.

При разрядности шины адресов n, количество ячеек памяти, к которым можно обращаться, составляет 2ⁿ, поэтому процессор поддерживает 2ⁿ байт оперативной памяти, т.е. адресное пространство процессора равно 2ⁿ байт.

Процессор, получая данные из оперативной памяти по шине определенной разрядности, обрабатывает их с разрядностью, определяемой внутренними регистрами процессора.

Количество битов данных, которые может обработать процессор за один прием, характеризуется разрядностью внутренних регистров

Сопроцессор. Сопроцессор используют при решении задач, которые требуют повышения производительности компьютера, выполнения большого количества математических вычислений при научных или инженерных расчетах. Когда встречается задача, с которой лучше справится математический сопроцессор, ему выдаются данные и команды, а центральный процессор ожидает результаты. Сопроцессор может уменьшить время выполнения математических операций, таких, как умножение, деление и возведение в степень на 80% и более.

Регистры – это внутренняя память процессора, позволяющая ему выполнять расчеты и сохранять промежуточные результаты. Все современные процессоры имеют 32 – разрядные внутренние регистры.

Очень часто оперативная память не удовлетворяет потребностям современных процессоров по скорости обработки данных, так как работает на более низких частотах. В этом случае при обмене данными с памятью процессор определенное время будет простаивать, ожидая прихода новых порций данных. Для уменьшения таких простоев между памятью и процессором устанавливают небольшой объем быстродействующей памяти, которая обеспечивает работу без задержек на частоте процессора. Такая память называется кэш – памятью.

Кэш – память – быстродействующее запоминающее устройство небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и менее быстродействующей оперативной памятью. В переводе слово кэш (cache) означает «тайный склад», «тайник». Кэш – память является дополнительным хранилищем копий блоков информации из основной памяти, вероятность обращения к которым в ближайшее время велика. При обращении процессора к ОЗУ сначала производится поиск нужных данных в кэш – памяти, которая может увеличить быстродействие процессора на (10 – 20)%.

В целом в современных ПК используются различные виды памяти (рис. 2.22). Основными элементами внутренней памяти компьютера являются оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory – память с произвольным доступом) – это быстрое запоминающее устройство не очень большого объёма, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных.

Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, которые сохраняются в ней только при включенном компьютере или до нажатия кнопки сброса. Перед выключением ПК все данные необходимо сохранить на запоминающем устройстве, которое может хранить информацию постоянно (например, жесткий диск). В дальнейшем при включении ПК сохраненную информацию можно загрузить в память и использовать для обработки. Объем ОЗУ современных ПК не менее 256 Мбайт.

Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory – память только для чтения) – энергонезависимая память, используемая для хранения данных, которые не требуют изменения.

Обычно ПЗУ содержит в себе базовую систему ввода – вывода (BIOS), которая отвечает за процедуру самопроверки, выполняемую после включения электропитания. Постоянная память является «прослойкой» между аппаратурой и программами. Программы, реализуемые на компьютере, могут только считывать данные из BIOS.

Раньше использовались масочные ПЗУ, информация в которые жестко «вшивалась» во время изготовления микросхем. Микросхема впаивалась в плату, и смена BIOS была невозможна.

В настоящее время применяются микросхемы флэш – памяти (разновидность перепрограммируемого ПЗУ с электрическим стиранием). Содержимое памяти, в том числе BIOS, можно изменять программным путем.

BIOS содержит:

— программы для проверки оборудования компьютера;

— программу для загрузки ОС;

— программы по обслуживанию устройств компьютера;

— программу настройки конфигурации компьютера.

Кроме оперативной и постоянной памяти в компьютере используется полупостоянная память – CMOS (complementary metal – oxide semiconductor – вкрапленный окисно – металлический полупроводник). В CMOS хранятся параметры конфигурации компьютера. Они не теряются при выключении компьютера, т.к. CMOS питается от собственного аккумулятора.

Видеопамять используется для хранения изображения, выводимого на экран. Эта память входит в состав видеоконтроллера – электронной схемы, управляющей выводом изображения на экран монитора.

Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам процессора.

Порты устройств представляют собой электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода – вывода и позволяющие подключать периферийные устройства к внешним шинам микропроцессора.

Портами также называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы).

Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами – побитно.

Параллельный порт получает и посылает данные побайтно.

К последовательному порту обычно подсоединяют медленно действующие или достаточно удалённые устройства, такие, как мышь и модем. К параллельному порту подсоединяют более «быстрые» устройства – принтер и сканер. Через игровой порт подсоединяется джойстик. Клавиатура и монитор подключаются к своим специализированным портам, которые представляют собой отдельные разъёмы.

При включении компьютера активизируется ПЗУ. Происходит проверка конфигурации компьютера. Далее происходит загрузка ОС. После загрузки ОС по команде пользователя процессор начинает реализовывать программу, считывая ее из долговременного запоминающего устройства. Устройство управления вырабатывает управляющие сигналы для процессора и других устройств компьютера на основании команд, содержащихся в реализуемой программе.

Дата добавления: 2014-12-27