Файл: Архитектура современных компьютеров (Понятие архитектуры компьютера).pdf

У персонального компьютера есть два важных преимущества по сравнению со всеми другими видами компьютеров: он имеет относительно простое управление и может решать достаточно широкий класс задач. В англоязычных источниках ПК звучит как Personal Computer и имеет сокращение PC. В России можно встретить и другое название ПЭВМ – это Персональная Электронно-вычислительная машина. Таким образом, ПК является вычислительной машиной, служащей для работы, доступа и использования возможности сетей; это платформа для игр и мультимедийных возможностей.

Персональные компьютеры прочно вошли в нашу повседневную жизнь. Мы уже не можем представить себе работу в офисе без компьютеров и офисной техники. И даже дома почти у каждого уже есть этот верный друг и помощник.

Прогресс компьютерных технологий идет крайне быстро. Каждый год появляются новые процессоры, платы, накопители и прочие периферийные устройства. Рост потенциальных возможностей ПК и появление более новых производительных компонентов неизбежно вызывает желание модернизировать свой компьютер.

Актуальность данной темы заключается в том, что, не зная общего устройства и основных принципов работы компьютера, невозможно провести его подключение и модернизацию.

Цель данной курсовой – изучение архитектуры современного ПК и ее функции.

1. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Понятие архитектуры компьютера

Термин персональный компьютер был введен фирмой IBM для первых настольных компьютеров, предназначенных для индивидуального использования, в начале 80-х годов.

Под архитектурой ПК понимается его логическая организация, структура, ресурсы, т.е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени. Архитектура современных ПК построена на магистрально-модульном принципе. Модульный принцип позволяет потребителю самому подобрать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости его модернизацию.

Компьютер имеет следующие компоненты: системный блок, монитор, клавиатура, мышь, колонки, принтер, сканер, внешний модем.

Основной частью компьютера является системный блок, в котором имеются: блок питания; материнская плата, по которой осуществляется информационная связь между различными компонентами; процессор, т.е. главная микросхема, производящая операции по обработке данных и управлению устройствами; оперативная память, где находятся данные, с которыми работает процессор; жесткий диск, на котором хранятся данные пользователя; видеоплата, осуществляющая обработку видеоданных для дисплея; звуковая плата, обрабатывающая звуковые данные и выводящая их в виде звука с помощью колонок; накопители для CD-дисков и DVD-дисков; порты ввода/вывода, предназначенные для пересылки данных с/на внешние устройства.

Одним из существенных достоинств современного ПК является гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования и в быту.

1.1.1 Фон-Неймановский принцип архитектуры компьютеров

Любой современный компьютер представляет собой реализацию так называемой фон-неймановской архитектуры вычислительных машин. Эта архитектура была представлена Джорджем фон Нейманом еще в 1945 году и имеет следующие основные признаки. Машина состоит из блока управления, арифметико-логического устройства (АЛУ), памяти и устройств ввода-вывода. В ней реализуется концепция хранимой программы: программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Выполняемые действия определяются блоком управления и АЛУ, которые вместе являются основой центрального процессора. Центральный процессор выбирает и исполняет команды из памяти последовательно, адрес очередной команды задается «счетчиком адреса» в блоке управления. Этот принцип исполнения называется последовательной передачей управления. Данные, с которыми работает программа, могут включать переменные – именованные области памяти, в которых сохраняются значения с целью дальнейшего использования в программе.

Рассмотрим схематично классическую структуру вычислительной машины (рис.1), на основе которой уже более полувека создаются ЭВМ.

Рисунок 1 Классическая структура ЭВМ:

АЛУ – арифметико-логическое устройство; ЗУ – запоминающее устройство;

УУ – устройство управления; Увв – устройство ввода; Увыв – устройство вывода.

Устройство управления инициирует работу устройства ввода, давая ему команду на выполнение операции ввода информации в запоминающее устройство ЭВМ. Оно, в свою очередь, указывает, из какого места запоминающего устройства необходимо передать информацию в арифметико-логическое устройство, какую операцию над этой информацией должно выполнить арифметико-логическое устройство, в какое место запоминающего устройства записать результат операции. Оно также инициирует работу устройства вывода для вывода результата из запоминающего устройства и выполняет ряд других функций.

Фон-неймановская архитектура – не единственный вариант построения ЭВМ, есть и другие, которые не соответствуют указанным принципам (например, потоковые машины). Однако подавляющее большинство современных компьютеров основаны именно на указанных принципах, включая и сложные многопроцессорные комплексы, которые можно рассматривать как объединение фон-неймановских машин.

1.2. Архитектура современных компьютеров

1.2.1 Основные принципы внутреннего устройства ПК

К основным устройствам внутренней конфигурации относят: микропроцессор (МП), оперативную память, основной набор микросхем (ChipSet – набор микросхем), кэш – память, а также интерфейсные шины, используемые для связи устройств между собой.

Центральный процессор - это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров.

Основные функции микропроцессора – выполнение вычислений, пересылка данных между внутренними регистрами, управление ходом вычислительного процесса. Микропроцессор непосредственно взаимодействует с оперативной памятью и контроллерами системной платы. Главными носителями информации внутри процессора служат регистры.

В состав микропроцессора входят АЛУ, устройство управления, внутренние регистры. Устройство управления 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 точкой.

Главная характеристика микропроцессора – его быстродействие, которое в значительной степени зависит от тактовой частоты микропроцессора. Важной является также архитектура микропроцессора, которая определяет, какие данные он может обрабатывать, какие машинные инструкции входят в набор выполняемых им команд, как происходит обработка данных, каков объем внутренней памяти микропроцессора.

Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему - тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

В составе микропроцессора может присутствовать сверхоперативная, или кэш-память (L2), которая обеспечивает более быструю передачу информации, чем оперативная память.

Микропроцессор обменивается информацией с внешними устройствами через системную шину.

Центральный процессор взаимодействует с внутренним запоминающим устройством, называемым оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) или оперативной памятью (ОП).

Оперативная память предназначена для приема, хранения и выдачи информации (чисел, символов, команд, констант), т.е. всей информации, необходимой для выполнения операций в центральном процессоре. Кроме оперативной памяти во всех компьютерах обычно имеется внутренняя постоянная память, используемая для хранения постоянных данных и программ.

Основной набор микросхем (чипсет) включает системный и функциональный контроллеры и микросхемы, которые определяют основу работы материнской (системной) платы. Системный контроллер обеспечивает передачу данных по системной шине и, соответственно, обмен данными с процессором и кэш-памятью, а также передачу данных по шине памяти и обмен данными с оперативной памятью и видеоконтроллером. Функциональный контроллер осуществляет обмен данными с системным контроллером и со всеми периферийными устройствами компьютера, за исключением монитора. Именно от чипсета зависит, с какими типами процессоров работает материнская плата, какой максимальный объем оперативной памяти, какова скорость обмена данными по шинам компьютера.

Кэш-память – это сверхбыстродействующая оперативная память. Она используется для ускорения операций в памяти ПК. В кэш-память записывается из ОЗУ та часть информации, с которой работает процессор в данный момент. Кэш-память реализована на отдельных микросхемах.

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.

Связь между устройствами ПК осуществляется с помощью сопряжений, которые в вычислительной технике называются интерфейсами.

Системная шина является основной интерфейсной системой компьютера, обеспечивающей сопряжение и связь всех устройств между собой.

Системная шина включает: шину данных, шину адреса и шину управления.

Шина данных обеспечивает передачу информации между МП, памятью и периферийными устройствами. Шина двунаправленная, т.е. позволяет осуществлять пересылку данных как в прямом, так и в обратном направлении.

Шина адреса используется для передачи адресов ячеек памяти и регистров для обмена информацией с внешними устройствами.

Шина управления предназначена для передачи управляющих сигналов–управления памятью, управления обменом данных, запросом на прерывание и т.д.

На системной плате находятся разъемы для плат, управляющих работой различных устройств ПК. Для расширения возможностей ПК используют платы расширения. Разъемы плат расширения унифицированы т.е. в любой разъем можно вставить любую плату расширения.

Разъемы, через которые процессор обменивается данными с внешними устройствами (принтер, «мышь» и т.д.), называют портами.

1.2.2 Основные принципы внешнего устройства ПК

Внешние устройства (ВУ) - это важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса.

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, монитор, принтер, сканер, внешний модем и другие), так и устройства, размещаемые внутри него (накопители на дисках, контроллеры устройств, внутренние факс-модемы и другие).

ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой пользователями, объектами управления и другими ЭВМ. ВУ весьма разнообразны и могут быть классифицированы по ряду признаков. Так, по назначению можно выделить следующие виды ВУ: