Архитектура персонального компьютера

 

Персональный компьютер (ПК) — самый распространенный в наше время тип компьютера. Появление ПК связано с созданием микропроцессоров, которое началось в 1970-х годах. До недавнего времени в устройстве ПК существовал один центральный процессор и множество периферийных процессоров, управляющих внешними устройствами, которые называются контроллерами. Архитектура такого ПК изображена на рис. 2.22.

Рисунок 2.22. – Архитектура ПК (сплошные стрелки – направление потоков информации, пунктирные – направление управляющих сигналов, К – контроллер)

 

Для связи между отдельными функциональными узлами ПК используется общая информационная магистраль, которая называется системной шиной.

Системная шина (магистраль) – это набор электронных линий, связывающих воедино центральный процессор, системную память и периферийные устройства.

Системная шина состоит из трех частей:

• шина данных (для передачи данных);

• шина адреса (для передачи адресов устройств, которым передаются данные);

• шина управления (для передачи управляющих сигналов, синхронизирующих работу разных устройств).

Важное достоинство такой архитектуры возможность подключения к компьютеру новых устройств или замена старых устройств на более современные. Это называется принципом открытой архитектуры. Для каждого типа и модели устройства используется свой контроллер, а в составе операционной системы имеется управляющая программа, которая называется драйвером устройства.

Контроллер — устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

Открытая архитектура персонального компьютера — это архитектура, предусматривающая модульное построение компьютера с возможностью добавления и замены отдельных устройств благодаря наличию опубликованной документации на эти устройства.

Важное событие в совершенствовании архитектуры ПК произошло в 2005 году: был создан первый двухъядерный микропроцессор. Каждое ядро способно выполнять функции центрального процессора. Эта особенность архитектуры позволяет производить на ПК параллельную обработку данных, что существенно увеличивает его производительность. Выпускаемые в настоящее время микропроцессоры содержат до 8 ядер.

Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Процессор можно присоединить к различным устройствам – станкам или роботам – и сделать управление этими устройствами автоматическим.

Состав и назначение основных блоков ПК представлены на рис. 2.23.

Организация ПК рассматривается применительно к самым распространенным в настоящее время меркам.

Рисунок 2.23. – Типовой состав ПК:

ИБП – источник бесперебойного питания

 

Рассмотрим состав системного блока (рис. 2.24).

Микропроцессор – это центральный узел в системном блоке ПК, предназначенный для управления работой всех блоков компьютера и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

В состав микропроцессора входят:

· устройство управления – формирует и подает во все блоки компьютера в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки. Опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов;

· арифметико-логическое устройство – предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией;

Рисунок 2.24. – Структурная схема системного блока:

CD – накопитель на компакт-диске

· микропроцессорная (регистровая ) память – память кратковременного характера для записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек основной памяти (ОП), имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие);

· интерфейсная система микропроцессора – реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс микропроцессора, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода (вывода) и системной шиной. Интерфейс – совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие;

· порт ввода (вывода) – аппаратура сопряжения, позволяющая под­ключить к микропроцессору другое устройство ПК;

· генератор тактовых импульсов – генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту компьютера. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик ПК и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное число тактов;

· системная шина – основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

 

Основной характеристикой микропроцессора является тактовая частота, которая в значительной степени определяет его быстродействие. Чем выше тактовая частота микропроцессора, тем выше его производительность. Другой характеристикой процессора является его разрядность. Разрядность процессора определяется числом двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт.

Все блоки, а точнее их порты ввода (вывода), через соответствующие унифицированные разъемы – слоты, подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры – адаптеры. Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему – контроллер шины, формирующую основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII- или ANSI-кодов.

Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками. Она содержит два вида запоминающих устройств: постоянное и оперативное. Постоянную память сокращенно обозначают ПЗУ – постоянное запоминающее устройство или ROM (англ. Read Only Memory – память только для чтения). Эта память небольшая по емкости (несколько сотен килобайт) и содержит программу тестирования устройств компьютера при включении – POST (англ. Power-On Self Test – самопроверка при включении энергии) и базовую систему вывода-ввода – BIOS (англ. Basic Input/Output System). Постоянное запоминающее устройство служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (изменить информацию в ПЗУ нельзя).

Оперативное запоминающее устройство – (ОЗУ или RAM от англ. Random Access Memory – память с произвольным доступом) предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве особенности ОЗУ следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания компьютера (энергозависимость). Все перечисленное конструктивно расположено в системном блоке.

Источник питания – это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.

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 отключении машины от сети продолжает работать.

Как видно из схемы, приведенной на рис. 2.24, современный компьютер строится по магистрально-модульному принципу, т.е. к имеющимся магистралям (шинам) можно присоединять через соответствующие устройства (адаптеры, контроллеры) самые разнообразные разноскоростные устройства (модули). Открытая архитектура позволяет не только подключать новые устройства, но и модифицировать имеющиеся, наращивать объем оперативной памяти, менять микропроцессор и оперативную память на более производительные и т. д.

Очень важен принцип программного управления компьютером. Он заключается в том, что компьютер работает под управлением программ, представляющих собой последовательность команд (инструкций, операций), каждая из которых «понятна» компьютеру и трактуется им однозначно.

В современных компьютерах и программа, и данные, которые об­рабатываются ею, находятся в одной оперативной памяти. Этот принцип восходит к самым первым ЭВМ и называется неймановским принципом.

Согласно классической архитектуре компьютер должен иметь следующие устройства:

· Арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции;

· Устройство управления (УУ), организующее процесс выполнения программы;

· Запоминающее устройство (оперативная память (ОП)) для хранения программ и данных;

· Внешнее устройство (ВУ) для ввода и вывода информации.