Файл: Архитектура современных компьютеров (Структура современного ПК).pdf
Добавлен: 26.06.2023
Просмотров: 103
Скачиваний: 3
В персональном компьютере, как правило, используется структура с одним общим интерфейсом, называемым также системной шиной. При такой структуре все устройства компьютера обмениваются информацией и управляющими сигналами через системную шину. Физически она представляет собой систему функционально объединенных проводов, по которым передаются три потока данных: непосредственно информация, управляющие сигналы и адреса.
Несомненными достоинствами ПК с шинной структурой являются ее простота, а, следовательно, и невысокая стоимость; гибкость, так как нификация связи между устройствами позволяет достаточно легко включать в состав ПК новые модули, т.е. менять конфигурацию компьютера. К недостаткам следует отнести снижение производительности системы из-за задержек, связанных со временем ожидания устройствами возможности занять шину, пока осуществляется передача информации между устройствами с более высоким приоритетом. Для преодоления этого недостатка в персональных суперкомпьютерах используется архитектура с несколькими шинами.
Шинная структура ПК (ЦП - центральный процессор, ОП – оперативная память, ПП – постоянная память, К – контроллер, ПУ – периферийное устройство).
Максимальное количество одновременно передаваемой информации называется разрядностью шины. Чем больше разрядность шины, тем больше информации она может передать в единицу времени.
При работе с оперативной памятью шина проводит поиск нужного участка памяти и обменивается информацией с найденным участком. Эти задачи выполняют две части системной шины: адресная шина и шина данных.
Шина адреса предназначена для передачи адреса ячейки памяти или порта ввода-вывода. Разрядность адресной шины определяет адресное пространство процессора, т.е. количество ячеек памяти.
Шина данных предназначена для передачи команд и данных, которые могут передаваться в любом направлении. В современных компьютерах разрядность шины данных составляет 64 бита.
Шина управления включает в себя все линии, которые обеспечивают работу общей шины. В большинстве современных процессоров шина управления 32 и 64-разрядная (например, в процессоре Intel core i5), хотя даже 128-разрядные.[5]
Шина работает циклами. Количество циклов срабатывания шины в единицу времени называется частотой шины. В современных компьютерах частота процессора может превышать частоту системной шины.
Устройства хранения:
Центральный процессор (ЦП) взаимодействует с внутренним ЗУ, называемым оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) или оперативной памятью (ОП). ОП предназначена для приема, хранения выдачи всей информации, необходимой для выполнения операций в ЦП. Кроме оперативной памяти во всех компьютерах обычно имеется внутренняя постоянная память, используемая для хранения постоянных данных и программ.
Оперативная память (ОП, англ. RAM – Random Access Memory – память с произвольным доступом) – это быстродействующее запоминающее устройство с прямым доступом процессора, которое предназначено для записи, считывания и временного хранения выполняемых программ и данных. Она ограничена по объему. ОП – электрическое устройство, и при выключении ПК все его содержимое пропадает.
В связи с этим на материнской плате есть микросхема «энергонезависимой памяти», так называемая СMOS-память (изготовленная по технологии CMOS – Comple Mentary Metal – oxide semiconductor), которая предназначена для длительного хранения данных о конфигурации и настройке компьютера. Для этого используют специальные электронные схемы со средним быстродействием, но очень малым энергопотреблением, питаемые от специального аккумулятора, установленного на материнской плате. Это полупостоянная память.
Данные записываются и считываются под управлением команд, содержащихся в другом виде памяти – BIOS (Basic Input-Output System), которая является базовой системой ввода-вывода – содержит наборы групп команд, называемых функциями, для непосредственного управления различными устройствами ПК.[4]
Для ускорения доступа к оперативной памяти используется кэш-память (cache – запас). Это сверхбыстрая оперативная память, предназначенная для временного хранения текущих данных и помещенная между оперативной памятью и процессором. У современных микропроцессоров может быть кэш-память первого уровня, которая обычно встроена в тот же кристалл и работает на одинаковой с микропроцессором частоте. Для некоторых микропроцессоров предусмотрена еще кэш-память второго и третьего уровня (от 8Мб до 24Мб). Существуют два способа организации такой памяти: общая, когда команды и данные хранятся вместе, и разделенная, когда они хранятся в разных местах. Наличие разделенной кэш-памяти увеличивает производительность микропроцессора, сокращая среднее время доступа к используемым командам и данным.
Для хранения больших объемов информации, которые не используются в данный момент времени процессором, предназначаются внешние запоминающие устройства (ВЗУ). К ним относятся: винчестеры (HDD, SSD), Flash-накопители, оптические диски.
В современных ПК реализована виртуальная память, которая предоставляет пользователю возможность работы с расширенным пространством оперативной памяти. Виртуальная память представляет собой совокупность оперативной памяти и внешних запоминающих устройств, а также комплекса программно-аппаратных средств, обеспечивающих динамическую переадресацию данных, в результате чего пользователь не должен заботиться о том, где располагаются необходимые ему данные (в ОЗУ или ВЗУ), а функции по требуемому перемещению данных берет на себя вычислительная система
Конструктивно элементы памяти выполнены в виде модулей, так что при желании можно сравнительно просто заменить их или установить дополнительные и тем самым изменить объем общей оперативной памяти компьютера. В настоящее время отдельные микросхемы памяти не устанавливаются на материнскую плату. Они объединяются в специальных печатных платах, образуя вместе с некоторыми дополнительными элементами модули памяти (SIMM- и DIMM-модули). [9]
Для подключения к системной шине различных внешних устройств существуют устройства – порты. Различают несколько типов портов: внутренний (таймерный), клавиатурный, коммуникационный, игровой (джойстик).
Коммуникационные порты обеспечивают подключение таких внешних устройств, как мышь, принтер, сканер, внешний модем и др. Эти порты подразделяются на последовательные (COM1, COM2, СОМ3, СОМ4) и параллельные (LPT1, LPT2, LPT3). Последовательные порты обеспечивают двусторонний побайтовый обмен последовательными кодами, они обычно используются для подключения мыши и модема.
Параллельные порты могут реализовать либо однонаправленную побайтовую передачу параллельных кодов, либо двунаправленную. Параллельный порт имеет более высокую скорость передачи информации, чем последовательные порты, и используется для подключения принтера.
Широкое распространение получил порт USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина). Он обеспечивает высокоскоростное подключение к компьютеру сразу нескольких периферийных устройств (сканера, цифровых камер и т.п.).
Также высокоскоростное подключение до 7 устройств (винчестеров, сканеров, СD-ROM и DVD-ROM дисководов и др.) к компьютеру реализует интерфейс малых вычислительных систем (Small Computer System Interface). SCSI-адаптеры размещаются в слотах расширения системной платы.[2, С. 56]
Устройства ввода и вывода
Совокупность ВЗУ и устройств ввода-вывода информации образует периферийную часть ЭВМ. Так как существует достаточно много разнообразных периферийных устройств, каждый ПК может быть укомплектован по-разному и иметь в своем составе те или иные периферийные устройства. Поэтому принято говорить о конфигурации ЭВМ, понимая под этим термином конкретный состав ее устройств с учетом их характеристик.
Передача информации из периферийных устройств в центральные называется операцией ввода, а передача информации из центральных устройств в периферийные – операцией вывода.
Производительность и эффективность использования ПК определяются не только возможностями его процессора и характеристиками ОП, но в большей степени составом его периферийных устройств, их техническими данными, а также способом организации их совместной работы с центральной частью ПК. [1, С. 64]
Внешними называются устройства, обеспечивающие ввод, вывод и накопление информации в ПК и взаимодействующие с процессором и оперативной памятью через системную шину, а также через порты ввода-вывода. К ним относятся как устройства, находящиеся вне системного блока (клавиатура, мышь, трекбол, тачпад, монитор, принтер, плоттер и другие), так и устройства, размещаемые внутри него (накопители на дисках, контроллеры устройств, внутренние факс-модемы и другие).
К устройствам вывода относятся: монитор, видеокарта, принтер, плоттер, сетевая карта.
Устройства ввода информации: клавиатура, мышь, трекбол, тачпад (TouchPad), сканер, цифровая камера, ТВ-тюнер, звуковая карта, микрофон и т.п.[3]
Архитектура современного ПК
Современный ПК используется в таких приложениях, для которых первоначально и не предназначался. 3D графика, потоковое видео, многоканальное аудио и высокоскоростные коммуникации стали настолько привычными и обязательными, что компьютерные системы находятся под постоянным напором новых требований к их архитектуре. К сожалению, ПК, которые мы видим в настоящее время, с их древними форм-факторами и унаследованной из поколения в поколение уродливостью, не могут в полной мере соответствовать требованиям, предъявляемым к современным ПК. Новая архитектура от NVIDIA - nForce, разработана фактически с чистого листа на основе нескольких новейших технологий, в результате чего получилась воистину современная платформа XXI века.Архитектура NVIDIA nForce обладает самой производительной на сегодняшний день платформой; новой шиной AMD HyperTransport, связывающей обе части чипсета nForce - IGP и MCP, позволяющей добиться в шесть раз большей производительности, чем принятые в настоящие время внешние шинные соединения; многоканальным, высокопроизводительным аудио движком, позволяющим декодировать аудио по схеме Dolby Digital 5.1 в реальном времени. NVIDIA nForce составлена из двух "сопроцессоров": nForce Integrated Graphics Processor (IGP) и nForce Media and Communications Processor (MCP).[7]
Продолжая совершенствовать концепции дизайна персональных компьютеров, компании Microsoft и Hewlett-Packard недавно познакомили нас с еще одним вариантом ПК будущего. Разработка носит кодовое название Athens и с виду напоминает Tablet PC, подключенный проводом к стоящей отдельно док-станции небольшого размера. Прототип, демонстрировавшийся на конференции WinHEC в Новом Орлеане, предстал перед аудиторией в виде сравнительно небольшого по размерам «системного блока», соединенного с плоскопанельным монитором с диагональю 23 дюйма. Этот дисплей оснащен телефонной гарнитурой и видеокамерой, размещенными с разных сторон, в дисплейном модуле могут также размещаться медиа-порты и приводы для оптических дисков. Все остальные компоненты ПК, в том числе процессор и системная плата,помещены в компактное шасси, соединенное с дисплеем одним кабелем. По этому кабелю, как поясняют разработчики, осуществляются и подача питания на экран, и передача различных данных. Устройство работает с беспроводными клавиатурой и мышью. Таким образом прототип Athens представляет настольную систему, которая дает пользователю также возможность участвовать в видеоконференциях и разговаривать по телефону наряду с выполнением привычной работы с Web и электронной почтой
Как подчеркнул Байрон Сэндз, директор по вопросам передовых технологий подразделения персональных компьютеров HP, Athens разрабатывается не как элитное устройство, а как стандарт для настольных систем будущего. В целях продвижения на рынок новой эталонной архитектуры Microsoft намерена оказывать активную помощь производителям аппаратного обеспечения.[12]
Создание качественно новых вычислительных систем с более высокой производительностью и некоторыми характеристиками искусственного интеллекта, например с возможностью самообучения,- очень актуальная тема. Последние десять лет такие разработки ведутся во многих направлениях - наиболее успешными и быстро развивающимися из них являются квантовые компьютеры, нейрокомпьютеры и оптические компьютеры, поскольку современная элементная и технологическая база имеет все необходимое для их создания.
Носителем информации в оптических компьютерах будет световой поток. Весь набор полностью оптических логических устройств для синтеза более сложных блоков оптических компьютеров реализуется на основе пассивных нелинейных резонаторов-интерферометров. Элементы памяти оптического компьютера представляют собой полупроводниковые нелинейные оптические интерферометры, в основном, созданными из арсенида галлия (GaAs). К настоящему времени уже созданы и оптимизированы отдельные составляющие оптических компьютеров – оптические процессоры, ячейки памяти, однако до полной сборки еще далеко.
Основной строительной единицей квантового компьютера является кубит (qubit, Quantum Bit). Классический бит имеет лишь два состояния - 0 и 1, тогда как состояний кубита значительно больше. Для описания состояния квантовой системы было введено понятие волновой функции, ее значение представляется в виде вектора с большим числом значений. Для того чтобы практически реализовать квантовый компьютер, существуют несколько важных правил, которые в 1996 г. привел Дивиченцо. Без их выполнения не может быть построена ни одна квантовая система: точно известное число частиц системы, возможность приведения системы в точно известное начальное состояние, высокая степень изоляции от внешней среды, умение менять состояние системы согласно заданной последовательности элементарных преобразований. Выполнение этих требований вполне реально с помощью существующих квантовых технологий.
Нейрокомпьютеры - это совершенно новый тип вычислительной техники, иногда их называют биокомпьютерами. Нейрокомпьютеры можно строить на базе нейрочипов, которые функционально ориентированы на конкретный алгоритм, на решение конкретной задачи. Возможна эмуляция нейрокомпьютеров (моделирование) - как программно на ПЭВМ и суперЭВМ, так и программно-аппаратно на цифровых супербольших интегральных схемах. Искусственная нейронная сеть построена на нейроноподобных элементах - искусственных нейронах и нейроноподобных связях. Один искусственный нейрон может использоваться в работе нескольких (приблизительно похожих) алгоритмов обработки информации в сети, и каждый алгоритм осуществляется при помощи некоторого количества искусственных нейронов.[2]