Файл: Устройство персонального компьютера (Структурная схема ЭВМ).pdf

Структура современных персональных компьютеров – весьма обширная тема, знание которой в наше время весьма важно, так как множество работы сегодня связано с пользованием персональным компьютером. Среди профессионалов, работающих вне компьютерной сферы, считается непременной составляющей компетентности знание персонального компьютера, хотя бы его основных технических характеристик. До появления персональных компьютеров инженеры, ученые, экономисты, представители других профессий общались с ЭВМ только с помощью посредников – инженеров-системотехников и программистов, поскольку работа на ЭВМ старых типов требовала специальной подготовки. С появление персональных компьютеров необходимость в таком посредничестве отпала, так как процесс упростился. Кроме того, произошло снижение стоимости компьютеров. В связи с этим современные ПК стали привычными, используются для автоматизации отдельных рабочих мест, обработки деловой информации, обучения и т.д.

Также актуальность выбранной темы можно связать и с тем, что каждый год появляются новые процессоры, платы, накопители и прочие периферийные устройства. Рост потенциальных возможностей персональных компьютеров и появление более новых производительных компонентов неизбежно вызывает желание модернизировать свой компьютер. Современный рынок компьютерной техники столь разнообразен, что довольно непросто определить конфигурацию персонального компьютера с требуемыми характеристиками. Не зная общего устройства и основных принципов работы компьютера, невозможно провести его подключение и модернизацию. Без специальных знаний здесь практически не обойтись.

Целью данной работы является исследование структуры современных персональных компьютеров.

Поставленная цель решается посредством следующих задач:

- рассмотреть термины, входящие в понятие структуры компьютера.

- проанализировать сущность принципов построения компьютера (модульность, магистральность, микропрограммируемость)

- перечислить и охарактеризовать устройства центральной и периферийной части компьютера.

- проанализировать сущность логического устройства компьютеров

Объект исследования – структура персонального компьютера.

Предмет исследования – персональный компьютер с входящими в него устройствами.

Теоретическую базу составляют материалы учебных пособий и справочников, различных интернет-ресурсов, содержащих информацию по предметам информатики, компьютерных и информационных технологий, а также страниц преподавателей, учебных заведений, содержащих лекции и учебные пособия в электронном виде.

1. Технические средства реализации информационных процессов

1.1 Структурная схема ЭВМ

В первой половине XIX в. английским ученым и изобретателем Ч. Бэббиджем была выдвинута идея создания полностью автоматической вычислительной машины – вычислительного автомата – в составе: устройство ввода, устройство памяти, процессор, устройство вывода. Он же выдвинул идею программного управления. В 1945 г. знаменитый математик Джон фон Нейман определил основные требования к конструкции компьютера, обеспечивающие его универсальность и эффективность при обработке информации. Согласно теории Неймана компьютер должен содержать:

арифметическо-логическое устройство (АЛУ), которое выполняет арифметические и логические операции;
устройство управления (УУ), организующее процесс выполнения программ;
запоминающее устройство (ЗУ) для хранения программ и данных;
внешние устройства, обеспечивающие ввод и вывод информации.

Все устройства ЭВМ соединены линиями связи (рисунок 2.1.1), по которым передаются информационные и управляющие сигналы, а синхронизация процессов передачи осуществляется при помощи тактовых импульсов, вырабатываемых генератором тактовых импульсов (ГТИ).

Рисунок 2.1.1 – Обобщённая структурная схема ЭВМ

управляющие сигналы;

потоки информации.

Под структурной схемой ЭВМ понимается абстрактная модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия основных функциональных частей ЭВМ без учета их реализации. Любая ЭВМ может быть разделена на связанные между собой функциональные устройства, где потоки информации обеспечивают передачу информации (закодированные операнды и команды программы), а управляющие сигналы используются для управления работой устройств ЭВМ и для передачи ответных сигналов. Все основные процессы по обработке данных осуществляются в устройстве управления и арифметико-логическом устройстве (АЛУ). УУ предназначено для выполнения функций управления ЭВМ в целом и ее отдельными устройствами в процессе решения задачи в соответствии с заданной программой. В современных ЭВМ УУ и АЛУ представляют собой конструктивно законченную функциональную часть ЭВМ, называемую центральным процессором (ЦП) и предназначенную для обработки данных и управления другими устройствами ЭВМ по заданной программе.

1.2 Назначение функциональных устройств ЭВМ и организация их взаимодействия

Конструкция компьютера строится в соответствии с принципами Неймана. Архитектура современного компьютера состоит из основных подсистем: ввод-вывод, память, связь, управление и обработка.

Архитектура — структура компьютерной системы и взаимосвязей компонентов, аппаратных и (или) программных средств, описанная схематически или с подробным указанием параметров. Архитектура может носить характер рекомендации в отношении модели компьютера, отдельного устройства (архитектура процессора) или операционной системы.

Принципы фон-Неймана на практике реализуются чаще всего двумя способами: ЭВМ с шинной и канальной организацией.

Шинная организация является простейшей формой организации ЭВМ. В основу архитектуры современных ПК положен магистрально-модульный принцип, что предусматривает построение компьютера из функциональных блоков, взаимодействующих посредством общего канала (каналов) – шины. Структурная схема ПК получила название архитектура с общей шиной. Ее главное достоинство – простота, возможность легко изменять конфигурацию компьютера путем добавления новых или замены старых устройств.

В основе канальной организации ЭВМ лежит множественность каналов связи между устройствами и функциональная специализация узлов. Упрощенная схема организации ЭВМ с каналами приведена на рисунке 2, где, помимо центрального процессора (ЦП), оперативной памяти, устройств ввода-вывода (ВУ), в состав ЭВМ входят устройства, называемые каналами. Канал – это специализированный процессор, осуществляющий всю работу по управлению контроллерами внешних устройств и обмену данными между основной памятью и внешними устройствами. Устройства группируются по характерной скорости и подключаются к соответствующим каналам. За счет усложнения организации ЭВМ упрощается архитектура ввода-вывода (используется принцип «прямого доступа»), но, с другой стороны, вводятся некоторые ограничении: сохраняется только одна схема обмена информации между процессором и каналом, канал выполняет только свою специализированную канальную программу.

Рисунок 2 –Упрощенная схема ЭВМ с канальной организацией

1.3 Организация внутренней и внешней памяти ЭВМ

Для хранения программ, исходных данных, необходимых для решения задачи, промежуточных и окончательных результатов вычислений в ЭВМ предназначена память. Устройства, реализующие функцию памяти, называются запоминающими устройствами. В зависимости от назначения и решаемых задач в ЭВМ используют ЗУ разного уровня по быстродействию и емкости. В большинстве случаев ЗУ ЭВМ состоит из двух существенно отличающихся по своим характеристикам частей: быстродействующего оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) или оперативной памяти (ОП) и сравнительно медленно действующего, но способного хранить значительно большой объем информации, внешнего запоминающего устройства (ВЗУ), подключаемого к ОП.

Классификация видов компьютерной памяти по назначению показана на рисунке 2.1.3.

Внутренняя память состоит из нескольких частей: оперативной, постоянной и кэш-памяти. Это связано с тем, что используемые процессором программы можно условно разделить на две группы: временного (текущего) и постоянного использования.

Для хранения команд программы, исходных данных, непосредственно участвующих при выполнении операций вычислительного процесса, а также промежуточных и конечных результатов вычислений служит ОП. Она состоит из последовательности отдельных запоминающих ячеек, каждая из которых имеет свой номер – адрес. Схемы управления ОП обеспечивают в любой момент возможность обращения к отдельной ячейке для записи и считывания информации без изменения содержимого соседних ячеек. Часто оперативную память называют RAM (англ. Random Access Memory – память с произвольным доступом).

Для ускорения доступа к оперативной памяти используется специальная сверхбыстродействующая кэш-память, которая расположена «между» процессором и оперативной памятью. Она хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. При обращении процессора к памяти, прежде всего проводится поиск нужных данных в кэш-памяти. Программы и данные временного пользования хранятся в оперативной памяти и кэш-памяти только до тех пор, пока включено электропитание компьютера. После его выключения выделенная для них часть внутренней памяти полностью очищается.

Другая часть внутренней памяти, называемая постоянной, является энергонезависимой, то есть записанные в нее программы и данные хранятся всегда, независимо от включения или выключения компьютера (разрешено только чтение этих данных). Часто постоянную память называют ROM (англ. Read Only Memory – память только для чтения).

Внешняя память компьютера может быть организована на различных материальных носителях: на дискетах, на жестких дисках, на магнитных лентах, на лазерных дисках (компакт-дисках). В вычислительном процессе ВЗУ непосредственно не участвуют. Они хранят исходные данные, отдельные части выполняемых (рабочих) программ, а также промежуточных и конечных результатов вычислений в том случае, если их объем настолько велик, что не может разместиться в ОП или они не используются в данный момент, но потребуются в дальнейшем для вычислений.

Рисунок 2.1.3 – Классификация видов компьютерной памяти

Для ввода информации в ОП и ее вывода служат устройства ввода (УВв) и вывода (УВыв). Учитывая аналогию процессов ввода-вывода и промежуточного хранения информации, УВв, УВыв и ВЗУ относятся к периферийным устройствам.

2. Структура ПК, принцип открытой архитектуры

2.1 Принципы работы основных устройств ПК

Структурная схема ПК получила название архитектура с общей шиной. Ее главное достоинство – простота, возможность легко изменять конфигурацию компьютера путем добавления новых или замены старых устройств. Отмеченные принципы принято называть принципом открытой архитектуры ПК.

Открытая система – вычислительная среда из аппаратных и программных продуктов и технологий, разработанных в соответствии с общедоступными и общепринятыми (международными) стандартами. Обязательные свойства открытых систем:

переносимость – возможность переносить информацию и ПО между различными платформами;

совместимость компонентов (устройств) от различных производителей при конструировании, сборке и работе;

масштабируемость – сохранение инвестиций в информацию и ПО при переходе на более мощную аппаратуру;