Файл: Архитектура современных компьютеров (Глава 1. Основные принципы построения современных ЭВМ).pdf

Благодаря модульной конструкции ЭВМ стала открытой системой, которую легко адаптировать и совершенствовать подключая различные совместимые с ней устройства, а так же улучшая различные технические и экономические характеристики. В связи с этим появилась возможность для того чтобы наращивать у ЭВМ вычислительную мощность, улучшать ее структуру с помощью замены различных модулей на более современные, изменять и управлять конфигурацией системы, приспосабливать ее под конкретные условия применения и те требования, которые необходимы конкретному пользователю. Основными средствами подключения и объединения модулей в систему являются магистрали или шины. При помощи стандартной системы сопряжения или интерфейса возможно формирование необходимой конфигурации, гибкое изменение ее структуры и адаптация к изменяющимся условиям функционирования.

В современных ЭВМ принцип децентрализации и параллельной работы распространяется как на саму ЭВМ так и на ее периферийные устройства. В современных ЭВМ вычислительные системы, могут содержать несколько вычислителей, которые работают между собой согласованно и параллельно, а внутри ее происходит все более детальное распределение функций между средствами обработки.

Разработчики современных ЭВМ выпускают их семействами, которые делятся на старшие и младшие модели. Благодаря модульности ЭВМ есть возможность заменить слабую модель на более мощную. Это возможно благодаря тому, что у ЭВМ существует преемственная информационная, аппаратурная и программная совместимость. Программная совместимость в семействах устанавливается по принципу «снизу-вверх», то есть программы, разработанные для ранних и младших моделей, могут обрабатываться и на старших, но не обязательно наоборот.

В связи с тем, что структура ЭВМ является модульной появилась необходимость в стандартизации и унификации оборудования, а так же номенклатуры технических и программных средств. Все это привело к тому что технические и эксплуатационные характеристики современных ЭВМ постоянно улучшаются, а так же происходит постоянный рост технологичности их производства.

Принцип децентрализации управления представляет собой иерархическую организацию структуры современной ЭВМ. Данный принцип заключается в том, что главному или центральному модулю системы необходимо определить последовательность работ которую будут выполнять подчиненные ей модули, после этого он производит инициализацию данных модулей и они уже могут продолжать работу по своим программам управления. Для того чтобы все работы были правильно скоординированы результаты выполнения требуемых операций представляются ими «вверх по иерархии». Для того чтобы обмениваться управляющими сигналами, адресами и данными подключаемые модули используют специальные шины или магистрали.

---

Иерархический принцип построения и управления является характерным не только для структуры ЭВМ в целом, но так же и для отдельных подсистем, например, система памяти ЭВМ тоже строится по такому принципу.

Благодаря децентрализации управления и структуры современных ЭВМ стало возможным использовать более сложные многопрограммные или мультипрограммные режимы при которых в ЭВМ возможно запускать и обрабатывать несколько различных программ пользователей одновременно [2, c.22].

Глава 2. Функциональная и структурная организация аппаратного обеспечения ЭВМ

2.1. Структурная организация аппаратного обеспечения ЭВМ

Способы реализации функций ЭВМ составляют структурную организацию ЭВМ. Элементная база, функциональные узлы и устройства ЭВМ, а так же программные модули различных видов являются структурными компонентами ЭВМ.

Так как под ЭВМ в наше время можно рассматривать различные устройства такие как персональный компьютер, ноутбук, нетбук, планшет, смартфон и т.п., в нашем случае будем рассматривать персональный компьютер у остальных устройств структура будет аналогична.

В основу устройства современной ЭВМ положен принцип открытой архитектуры, т.е. возможность подключения к системе дополнительных независимо разработанных устройств для различных прикладных применений. Все устройства подключаются к системе и взаимодействуют друг с другом через общую шину.

Основными блоками современного ЭВМ на внешний взгляд можно выделить следующий состав:

• Системный блок, который является главной составляющей ЭВМ, содержащий в себе материнскую плату, к которой через шины подключены различные устройства – процессор, память, накопитель и т.п.;
• Монитор, который является визуализацией ЭВМ и совместно с видеокартой образует видеосистему;
• Мышь и клавиатура, при помощи которых пользователь управляет системой современного ЭВМ;
• Различные периферийные устройства, которые помогают пользователю в работе с ЭВМ [19].

---

Структуру ЭВМ графически можно представить в виде структурных схем, которые позволяют рассмотреть устройство ЭВМ практически на любом уровне детализации (см. рисунок 1).

Рисунок 1. Структурная схема персонального компьютера [17]

Рассмотрим некоторые узлы более подробно.

I. Системный блок содержит устройства, составляющие большую часть ЭВМ, которые соединены между собой при помощи материнской платы. Конструктивно системный блок может быть выполнен в горизонтальном (Desk Top) и вертикальном (Mini Tower) исполнении. Desk Top чаще всего используется для предприятий в виде серверов установленных в стойке. Mini Tower больше используется для работы одного пользователя. В системном блоке размещаются модули, рассмотрим некоторые из них более подробно.

Системная плата (motherboard - материнская плата) - сложная многослойная печатная плата, являющаяся основой построения вычислительной системы (компьютера). Основное предназначение материнской платы – быть связующим звеном всех устройств современного компьютера.

На системной плате располагаются все основные компоненты компьютера: центральный процессор, оперативная память, ПЗУ (постоянное запоминающее устройство),  энергонезависимая память, контроллер клавиатуры и т.д.
	Типичная современная материнская плата [21]

Центральный процессор (CPU - central processor unit) является "мозгом" компьютера, так как именно он распознает и выполняет различные команды и программы, которые задаются ЭВМ, он считывает и записывает информацию в память, а так же передает команды другим частям компьютера. Производительность ЭВМ зависит от мощности процессора, установленного на нем.

С внешними устройствами процессор может обмениваться данными благодаря общей шине, в состав которой входят  шины адреса, данных и управления. Разрядность  шины  может быть - 8, 16, 32, 64. Процессор может выполнять четыре основных математических действия: сложение, вычитание, умножение и деление над двоичными числами, а, кроме того, операции компьютерной логики: сравнение, условный переход и повторение [5].

Процессор

Core 2 Duo [21]

Оперативная память (ОЗУ - оперативно запоминающее устройство).

---

Любая современная ЭВМ  оснащена оперативной памятью, которая выполнена на микросхемах. Оперативная память состоит из определенного количества ячеек памяти, каждая из которых имеет свой собственный адрес или просто номер в двоичном коде. Оперативная память предназначена в основном для хранения выполняемых программ и их данных в течение всего времени, пока компьютер работает. Она подобна грифельной доске, информация на которой постоянно вытирается, заменяется новой и полностью исчезает после выключения компьютера. Информация в оперативной памяти хранится до момента выключения компьютера.

Оперативная память [21]

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство (BIOS - Basic Input/Output System). Материнская плата любого ЭВМ содержит постоянное запоминающее устройство - микросхему с записанным набором следующих программ:

- программа первоначальной загрузки компьютера, которая получает управление после успешного завершения тестов и делает первый шаг для загрузки операционной системы.

- программа первоначального тестирования компьютера получает управление сразу после включения компьютера. Данная программа проверяет все подсистемы компьютера и в случае обнаружения ошибки или неисправности ЭВМ отображает на экране соответствующее сообщение;

- базовая система ввода-вывода, которая представляет набор программ, используемых для управления основными устройствами компьютера. Данная система позволяет отображать на мониторе символы и графику, записывать и читать данные с различных накопителей, выводить на принтер печать, а так же решать другие не менее важные задачи;

Энергонезависимая память (CMOS-память, Complementary Metal-Oxid-Semicondactor).

Различные параметры конфигурации компьютера, например количество и тип дисковых накопителей, тип видеоадаптера, наличие сопроцессора и некоторые другие данные, хранятся в так называемой CMOS-памяти. Микросхема CMOS-памяти также содержит обыкновенные электронные часы. Благодаря ним в любой момент можно узнать текущую дату и время. Чтобы при отключении питания компьютера содержимое CMOS-памяти не стиралось, и часы продолжали отсчитывать время, микросхема CMOS-памяти питается от специальной маленькой батарейки или аккумулятора, которые также находятся на системной плате.

Внешняя дисковая память. Кроме собственной электронной памяти  (ОЗУ), или, так сказать, внутренней памяти компьютера он имеет и внешнюю память, которая размещается на дисках, являющихся внешними носителями информации. Внешняя память, по объему, как правило, гораздо больше оперативной памяти компьютера, однако скорость взаимодействия процессора с оперативной памятью выше, чем с любыми внешними накопителями.

---

Диски имеют разновидности по составу и функционалу:

- жесткие, или фиксированные, встроенные в системный блок компьютера и обычно называемые винчестер, однако в последние годы появились внешние накопители на жестких магнитных дисках - внешние винчестеры. Жесткие диски различаются по интерфейсу взаимодействия, пропускной способности, объему. В последние годы получили популярность твердотельные жесткие диски, которые по сравнению с традиционными жёсткими дисками, имеют меньший размер и вес, но в несколько раз (6—7) большую стоимость за гигабайт и значительно меньшую износостойкость (ресурс записи). Основным недостатком этих накопителей является ограниченное количество циклов перезаписи.

- гибкие, вставляемые в отверстия дисководов компьютера и называемые дискетами или флоппи-дисками. Дисководы размещаются в системном блоке компьютера. Данные диски уходят в прошлое, исключением являются специализированные устройства такие как лазерные станки в которые с помощью таких дискет загружаются программы по обработке металла.

- оптические диски (CD-ROM, DVD-ROM, Blu-rray и т.п.), устройства для работы с которыми считаются специальными устройствами тоже встроенным в системный блок. Данные устройства позволяют считывать и записывать различную информацию на оптический диск. Диски отличаются между собой способами записи и имеют различные объемы для записи информации [21]. 

Жесткий диск	Оптический диск	Внутреннее устройство для чтения и записи оптических дисков	Внешнее устройство для чтения и записи оптических дисков
Внешний винчестер	Устройство для чтения и запиcи Blu-Ray дисков	DVD-диск емкостью 4,7 Гб и лицевая сторон аобложки

Рисунок 2. Различные виды дисков [21]

II. Видеосистема. Как мы уже ранее упоминали в данной работе видеосистема состоит из двух основных частей – монитора и видеокарты. Монитор - это устройство, с помощью которого пользователь может воспринимать всю визуальную информацию получаемую от компьютера. Данные, которые отображаются на экране монитора, хранятся в определенном блоке памяти компьютера (видеопамять). Управляет работой монитора устройство, размещенное в системном блоке и называемое видеокартой или видеоадаптером. Видеокарта вместе с монитором и образуют видеосистему.  Процессор помещает в видеопамять  данные, а видеокарта   монитора просматривает эти данные и рисует соответствующее их содержанию изображение на экране.

---