Многопроцессорная архитектура.

При наличии в компьютере нескольких процессоров параллельно может быть обработано много потоков данных и команд. Так что, параллельно могут выполняться разные фрагменты одной задачи.

· Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров вычислительной системы не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою.

Эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен решении задач, имеющих специальную структуру: она должна разбиваться на столько подзадач, сколько компьютеров в системе.

Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. При этом множество данных может обрабатываться по одной программе — то есть 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.

Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.

 

Основные блоки персонального компьютера.

Современный персональный компьютер состоит из нескольких основных компонент: системного блока, монитора, клавиатуры и манипуляторов.

В системном блоке размещаются: блок питания, накопитель на жёстких магнитных дисках, накопитель на гибких магнитных дисках, системная плата, платы расширения, накопитель CD-ROM и др.

Системная плата является основной в системном блоке. Она содержит компоненты, определяющие архитектуру компьютера:

центральный процессор; постоянную (ROM) и оперативную (RAM) память, кэш-память; интерфейсные схемы шин; гнёзда расширения; обязательные системные средства ввода-вывода и др.

Системные платы исполняются на основе наборов микросхем, которые называются чипсетами (ChipSets). Часто на системных платах устанавливают и контроллеры дисковых накопителей, видеоадаптер, контроллеры портов и др.

В гнёзда расширения – слоты системной платы устанавливаются платы таких периферийных устройств, как модем, сетевая плата, видеоплата и т.п.

 

Устройство персонального компьютера.

Персональным компьютером (ПК) называют универсальный микрокомпьютер, рассчитанный на одного пользователя. Персональные компьютеры обычно проектируются на основе принципа открытой архитектуры.

 

Принцип открытой архитектуры заключается в следующем: · Регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация (совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Поэтому, компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-изготовителями. · Компьютер расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних разъемов, в которые можно вставлять разнообразные устройства, удовлетворяющие стандарту, и устанавливать необходимую конфигурацию машины.

Для того, чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера, они должны иметь одинаковый интерфейс.

Интерфейс — это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой.

Если интерфейс принят на уровне международных соглашений, то он называется стандартным.

Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связан с шиной определённого типа — адресной, управляющей или шиной данных.

Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты.

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

Порты устройств представляют собой электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера 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 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 просто разъёмы.

Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру компьютера, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской (MotherBoard). А контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения и подключаются к шине с помощью разъёмов расширения, называемых также слотами расширения.

Что такое центральный процессор?

Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) —основной компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, а также управляет вычислительным процессом, координируя работу устройств компьютера.

Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

· арифметико-логическое устройство;

· шины данных и шины адресов;

· регистры, счетчики команд УУ;

· кэш память — очень быструю память малого объема;

· математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния, на которой размещены электронные схемы, реализующие все функции процессора.

 

Принципы построения памяти

Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов — битов, объединенных в группы по 8 битов, которые называются байтами.

Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.

Байты могут объединяться в ячейки, которые называются словами, имеющих два, четыре или восемь байтов. Как правило, в одном машинном слове может быть представлено либо одно большое число, либо одна команда. Допускаются переменные форматы представления информации.

Разбиение памяти на слова для четырехбайтовых компьютеров представлено в таблице:

 

Байт 0	Байт 1	Байт 2	Байт 3	Байт 4	Байт 5	Байт 6	Байт7
ПОЛУСЛОВО	ПОЛУСЛОВО	ПОЛУСЛОВО	ПОЛУСЛОВО
СЛОВО	СЛОВО
ДВОЙНОЕ СЛОВО

 

 

Широко используются и более крупные производные единицы объема памяти: Килобайт, Мегабайт, Гигабайт, а также, в последнее время, Терабайт и Петабайт.

Современные компьютеры имеют много разнообразных запоминающих устройств, которые отличаются между собой по назначению, временным характеристикам, объёму хранимой информации.

Различают два основных вида памяти — внутреннюю и внешнюю.

Устройства внутренней памяти

В состав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-память и специальная память.

Оперативная память

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

Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ и когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой, что означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.

Объем ОЗУ современных компьютеров составляет от 256 Мбайт до 4 Гбайт. Обычно ОЗУ исполняется на интегральных микросхемах памяти DDR (динамическое ОЗУ), которые обладают высоким быстродействием. Современные микросхемы имеют ёмкость 16-32 Мбайт и более. Они устанавливаются в корпуса и собираются в модули памяти.

Время доступа к памяти обычно составляет 60 – 80 наносекунд.

Кэш-память

Кэш (англ. cache), или сверхоперативная память — очень быстрое ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и менее быстродействующей оперативной памятью.

Кэш-памятью управляет контроллер, который определяет, какие данные и команды нужны в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти, более быстродействующих и малоёмких, чем память DDR.

Современные микропроцессоры имеют кэш-память размером до 2Мбайт.

Специальная память

К устройствам специальной памяти относятся постоянная память (ROM), перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory), память CMOS RAM, питаемая от батарейки, видеопамять и некоторые другие виды памяти.

 

Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory — память только для чтения) — энергонезависимая память, используется для постоянного хранения данных. Из ПЗУ данные можно только читать.

 

Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) — энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого с дискеты.

В ПЗУ находятся программы управления процессором, дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программой запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.

Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти — модуль BIOS.

· BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода) — совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера и затем загрузки операционной системы в оперативную память.

Роль BIOS двоякая: с одной стороны это элемент аппаратуры (Hardware), а с другой строны — важный модуль любой операционной системы (Software).

Разновидность постоянного ЗУ — память CMOS RAM.

CMOS RAM — это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы.

Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS (англ. Set-up).

Для хранения графической информации используется видеопамять.

Видеопамять (VRAM) — разновидность оперативного ЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. ЗУ видеопаяти организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам — процессору и дисплею, так что изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.

Внешняя память компьютера.

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения программ и данных, и её содержимое не зависит от того, включен или выключен компьютер. Внешняя память не имеет прямой связи с процессором (связь через контроллеры).

В состав внешней памяти компьютера входят:

· накопители на жёстких магнитных дисках - винчестерах;

· накопители на гибких магнитных дисках;

· накопители на компакт-дисках;

· накопители на магнито- оптических компакт-дисках;

· накопители на магнитной ленте (стримеры) и др.

Гибкий диск, дискета — устройство для хранения небольших объёмов информации, представляющее гибкий пластиковый диск.

Информация записывается по концентрическим дорожкам (трекам), которые делятся на секторы. Ёмкость сектора постоянна и составляет 512 байтов. В настоящее время дискеты имеют диаметр 3,5 дюйма (89 мм), а ёмкость 1,44 Мбайт. Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков.

 

Накопитель на жёстких магнитных дисках (HDD) или винчестер — это запоминающее устройство большой ёмкости. Носителями данных являются круглые алюминиевые пластины — платтеры, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Используется для постоянного хранения информации.

 

Винчестерские накопители имеют ёмкость - до нескольких сотен Гбайт, скорость вращения шпинделя достигает 7200 оборотов в минуту, среднее время поиска данных — 10 мс, а максимальная скорость передачи данных до 40 Мбайт/с.

Винчестерский накопитель связан с процессором через контроллер жесткого диска. Все современные накопители снабжаются встроенным кэшем (64 Кбайт и более), который повышает их производительность.