Файл: Архитектура современных компьютеров (Структура современного ПК).pdf
Добавлен: 26.06.2023
Просмотров: 95
Скачиваний: 3
Введение
Темой моей курсовой работы является «Архитектура современного компьютера». Персональный компьютер (ПК) – это настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения. ПК стал обязательным атрибутом в любом современном офисе. Это основная техническая база информационной технологии. Профессионалы, работающие вне компьютерной сферы, считают непременной составляющей своей компетентности знание аппаратной части персонального компьютера, хотя бы его основных технических характеристик. Особенно велик интерес к компьютерам среди молодежи, широко использующей их для своих целей.
Актуальность выбранной темы связана с тем, что современный рынок компьютерной техники столь разнообразен, что довольно не просто определить конфигурацию ПК с требуемыми характеристиками. Без специальных знаний здесь практически не обойтись.
Цель данной курсовой работы – дать основное представление о структуре и функциях аппаратной части персонального компьютера. Другими словами определить архитектуру современного ПК, которая будет описана в теоретической части данной курсовой работы.
Архитектор, проектируя здание, обязан не только позаботиться о его красоте и форме, но и представить подробный план здания (структуры), предусмотреть надежность, безопасность, удобство его эксплуатации и использование эффективных технологий. Таким образом он решает вопросы взаимодействия проектируемого здания с окружающей средой, с людьми, для которых здание строится.
Подобное можно сказать и об архитектуре компьютера, которая связана с набором качеств, влияющих на ее взаимодействие с пользователем. Под архитектурой компьютера понимается его логическая организация, структура, совокупность его свойств и характеристик, существенных для пользователя. Основное внимание при этом уделяется структуре и функциональным возможностям машины, которые можно разделить на основные и дополнительные. Основные функции определяют назначение ЭВМ: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами. Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций: обеспечивают эффективные режимы ее работы, диалог с пользователем, высокую надежность и др. Названные функции ЭВМ реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных средств. компьютер процессор оперативная память
Одним из существенных достоинств современного ПК является гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования и в быту.
Основные принципы функционирования ПК
Исторически компьютер появился как машина для вычислений и назывался электронной вычислительной машиной – ЭВМ. Структура такого устройства была описана знаменитым математиком Джоном фон Нейманом в 1945 г. Современные компьютеры, базируясь на тех же принципах, имеют некоторые отличия, обусловленные развитием техники и служащие решению важных для пользователя задач (рис. 1).
Рис.1. Структурная схема современного ПК
Компьютер состоит из:
АЛУ – арифметическое логическое устройство. Преобразует информацию, выполняя сложение, вычитание и основные логические операции «И», «ИЛИ», «НЕ».
УУ – устройство управления. Организует процесс выполнения программ.
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство, или память.
УВВ – устройства ввода и вывода. Получают информацию извне, выводят ее получателю.
Достижения микроэлектроники позволили объединить в одной сверхбольшой интегральной схеме, называемой микропроцессором (МП) или процессором, АЛУ и УУ. Уменьшение габаритов ОЗУ позволило разместить МП и ОЗУ на одной электронной плате, называемой системной, или материнской. Все связи между отдельными устройствами объединены в пучок параллельных проводов – локальную или системную шину. В состав этой шины входят шина данных, по которой передаются из ОЗУ в МП также и команды, шина адреса и шина управления. УВВ включают УВВ и управляющие ими контроллеры (карты), включаемые в системную плату или установленные прямо на ней.
В современных ПК возможна также параллельная работа нескольких процессоров. За счет распараллеливания выполнения одной задачи или параллельного выполнения многих задач достигается увеличение общей производительности компьютера. Для этого предусматривают цепи, связывающие между собой отдельные процессоры. Двухпроцессорные машины отличаются от однопроцессорных прежде всего именно более «мягкой» реакцией на действия пользователя, особенно если в системе одновременно запущено несколько задач.
Важным элементом структуры современного компьютера и принципа его действия являются сигналы и понятия прерываний. Если в микропроцессор извне поступает сигнал запроса на прерывание, выполнение текущей программы приостанавливается, в заранее определенной области ОЗУ сохраняются все промежуточные результаты и адрес останова в программе, и микропроцессор выполняет специальную программу обработки прерывания, в которой указано, что надо сделать в этом случае. После ее завершения восстанавливаются все промежуточные результаты, и микропроцессор продолжает выполнение текущей программы с запомненного ранее адреса. [2]
В основу архитектуры современных ПК положен магистрально-модульный принцип. Этот принцип позволяет самим комплектовать нужную конфигурацию компьютера и при необходимости производить ее модернизацию. Модульная организация опирается на шинный метод обмена информацией между модулями (устройствами). Этот принцип также называют принципом открытой архитектуры
Структура современного ПК
Структура компьютера – это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов (рис.2).
Рис. 2. Структурная схема ПК
Рассмотрим принципы взаимодействия основных устройств ПК.
Материнская (системная) плата – важнейший элемент ПК, к которому подключено всё то, что составляет сам компьютер. В нее устанавливается процессор, оперативная память, микропроцессорный комплект (чипсет), с ней связаны жесткий диск и CD-ROM, к ней подключаются различные дополнительные устройства.
Таким образом, материнская плата, центральный процессор, оперативная память составляют основу ПК, от их производительности зависит производительность компьютера в целом. На материнской плате находятся специальные перемычки – джамперы, позволяющие подстроить ее под тип процессора и других устройств, устанавливаемых на ней. На материнской плате устанавливаются разъемы для установки дополнительных устройств – слоты расширения. Все дополнительные устройства взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных – шину.
Виды слотов расширения различаются по типу шины.
Аппаратно-логические устройства, отвечающие за совместное функционирование различных компонентов, называют интерфейсами.
Современный компьютер заполнен разными интерфейсами, обеспечивающими всеобщее взаимодействие. В основе построения интерфейсов лежат унификация и стандартизация (использование единых способов кодирования данных, форматов данных, стандартизация соединительных элементов – разъемов и т.д.). Именно совокупность интерфейсов, реализованных в компьютере, образует архитектуру компьютера.
Центральной частью компьютера является системный блок с присоединенными к нему клавиатурой, монитором и мышью. Системный блок и монитор независимо друг от друга подключаются к источнику питания – сети переменного тока. В современных компьютерах дисплей и системный блок иногда монтируются в едином корпусе.
В системном блоке располагаются все основные устройства компьютера: микропроцессор, оперативная память, контроллеры, накопители, дисководы для компакт-дисков, блок питания, счетчик времени и другие устройства.
Все компоненты ПК по их функциональному отношению к работе с информацией можно условно разделить на:
- устройства обработки информации (центральный процессор, специализированные процессоры);
- устройства хранения информации (жесткий диск, CD\DVD-ROM, оперативная память, Flas-накопители и др.)
- устройства ввода информации (клавиатура, мышь, микрофон, сканер и т.д.)
- устройства вывода информации (монитор, принтер, акустическая система и т.д.).
Устройства обработки:
Микропроцессор (центральный микропроцессор, CPU) – программно управляемое устройство, предназначенное для обработки информации под управлением программы, находящейся сейчас в оперативной памяти.
Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему – тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных сантиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора (рис. 6). Микропроцессор установлен на материнской плате и связан с ней интерфейсом процессорного разъема (Socket). Самым высокопроизводительным процессором AMD для персональных компьютеров в следующем году станет чип, известный как Summit Ridge под Socket FM3. Данная микросхема будет включать в себя до восьми х86-ядер Zen, 4 Мбайт кеша второго уровня (по 512 Кбайт на ядро), 8 Мбайт кеша третьего уровня, двухканальный контроллер памяти типа DDR3/DDR4, контроллер PCI Express 3.0, а также другие необходимые блоки. Центральный процессор будет использовать новый форм-фактор FM3 и потребует новых платформ.[6]
В состав микропроцессора входят АЛУ, устройство управления, внутренние регистры. УУ вырабатывает управляющие сигналы для выполнения команд, АЛУ – арифметические и логические операции над данными. Оно может состоять из нескольких блоков, например блока обработки целых чисел и блока обработки чисел с плавающей запятой.
Директор по технологиям Intel Патрик Гелсингер, отметил, что процессоры Intel поддерживают набор векторных инструкций AVX (Advanced Vector Extensions), которые позволят ускорить выполнение операций с плавающей запятой. В 2016 году компания Intel решила нарушить традицию выпуска трёх Core i7 HEDT (high-end desktop) в новом поколении чипов. Так, в 14 нм поколении Core i7 Broadwell-E, компания представит 4 процессора моделей Core i7-6800K, Core i7-6850K, Core i7-6900K, и Core i7-6950K.
В современных микропроцессорах в основу работы каждого блока положен принцип конвейера. Если в микропроцессоре имеется несколько блоков обработки, в основу работы которых положен принцип конвейера, то его архитектуру называют суперскалярной. Серия процессоров NVIDIA GeForce имеет новую суперскалярную шейдерную архитектуру, которая удваивает количество операций на такт по сравнению с традиционными архитектурами. В результате производительность становится значительно выше одношейдерного нескалярного проектирования. [6]
В 2015 году на рынок вышли процессоры Intal, основанные на базе микроархитектуры Skylake, и исполнены по нормам 14-нанометрового технологического процесса, как и процессоры Broadwell в 2014 году. На данный момент чипы включают новые вычислительные и графические ядра, также удалось добиться значительного повышения производительности при одновременном снижении энергопотребления. Процессоры Skylake на основе имеют восьмь ядер и смогут одновременно обрабатывать от четырех до шестнадцати потоков инструкций. Объем кэш-памяти третьего уровня сможет достигать 12 Мб.
Также компания Intel распространяет процессоры Intel® Xeon Phi™ для повышения производительности вычислительных систем, обрабатывающих данные научного, финансового характера и пр. Сопроцессоры Intel® Xeon Phi™ имеют формат дополнительного адаптера PCI Express* и работают синергетически с процессорами Intel® Xeon®, обеспечивая резкий прирост производительности при высокопареллельной обработке кода — до 1,2 терафлопс (триллион операций с плавающей запятой в секунду) двойной точности на сопроцессор.
Каждый сопроцессор, изготовленный по лучшей в отрасли 22-нанометровой технологии на базе транзисторов с трехмерной структурой затвора (3-D Tri-Gate), имеет больше ядер, больше вычислительных потоков и больше исполнительных блоков векторных команд, чем процессор Intel Xeon. Высокий уровень параллелизма компенсирует более низкую скорость вычислений в каждом ядре, обеспечивая высокую совокупную производительность при выполнении высокопараллельных рабочих нагрузок.
Сопроцессоры Intel® Xeon Phi™ могут иметь до 61 ядра, 244 потоков и обеспечивать производительность до 1,2 терафлопс. Они представлены во множестве конфигураций для удовлетворения различных требований к аппаратным и программным средствам, рабочим нагрузкам, производительности и эффективности.[5]
Связь между устройствами ПК осуществляется с помощью сопряжений, которые в вычислительной технике называются интерфейсами.