Файл: Архитектура современных компьютеров.pdf

Введение

В наше время компьютеры есть почти в любой семье. Мы их используем в разных целях для развлечения, для получения образования, для просмотра клипов и фильмов, при этом для выполнения данных целей можно использовать всего один компьютер. ПК являются неотъемлемыми помощниками для людей разных профессий, таких как врач, дизайнер, инженер. А также есть профессии, которые полностью связанны с компьютерами. Благодаря ПК стало возможным создавать практически полностью автоматизированные производства, реализовать многие проекты, сделать и ускорить более продуктивным процесс обучения и другое.

Увеличение объема и развитие производства информации привели к об ходимости создания ПК как инструмента для хранения и обработки информации.

Актуальностью темы исследования является то, что ПК с момента появления прошли долгий путь до электронного устройства от механического, перетерпев при этом большое количество новшеств и глобальных изменений. Сегодняшний день является невозможным представить себе эффективную организацию рабочего и учебного процесса. ПК используется почти во всех сферах деятельности современного человека. В нынешнее время круг задач, требующих для своего решения применения мощных электронно-вычислительных машин, весьма расширился.

Объектом исследования работы является: современный ПК.

Предметом исследования работы является: устройство современного ПК.

Целью исследования работы является: изучение особенности устройства современного ПК.

Задачи исследования:

1. Изучить и проанализировать учебную литературу по теме «Устройство современного ПК»
2. Структурировать знания по данной теме и выделить основные составляющие ПК
3. Выделить основные моменты в истории, которые привели к появлению и созданию персонального компьютера
4. Изучить понятия «структура компьютера» и «архитектура компьютера»
5. Обобщить полученные в ходе работы знания

Глава 1. Структура и архитектура ПК

1.1 Материнская плата

Среди всех стандартных функций ПК выделяют две основные:

• обмен с внешними объектами информацией.
• работа с информацией (хранение и обработка информации);

Так же есть дополнительные функции, которые значительно повышают эффективность выполнения классических основных функций ПК:

• высокую надежность,
• диалог с пользователем,
• обеспечивают эффективные режимы работы и т.д.

Данные функции ПК реализуются с помощью программного и аппаратного обеспечения компьютера.

Аппаратное обеспечение (АО), или hardware – это физическая часть или сказав проще «тело». Это системный блок с жестким диском, материнской платой и процессором, периферийным устройством и т.д.

Software или программное обеспечение – это программы и информации для управления процессами и обработки информации, «интеллект» компьютера.

При рассмотрении ПК как устройства необходимо уметь различать понятия его структуры и архитектуры.

Под архитектурой компьютера понимают концептуальную структуру ЭВМ, определяющая проведение обработки информации и включающую методы преобразования информации в принципы и данные взаимодействия ПО и технических средств.^[1] Другими словами, это описание ПК на некотором общем уровне, которое включает в себя описание компонентов, входящих в него, принципы их взаимодействия, включая характеристики и функции, а также описание пользовательских возможностей.

Структура ПК — это совокупность его функциональных элементов и связь между этими функциями. Элементами могут являться самые разные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура ПК графически представляется нам в виде структурных схем, с помощью которых можно дать полное описание ПК на любом уровне детализации. То есть это некая модель, устанавливающая состав, принципы и порядок взаимодействия входящих в нее компонентов.

Концепция, разработанная фон Нейманом предполагает, соблюдение некоторых принципов, которые описаны далее:

• Принцип однородности памяти.
• Принцип адресности.
• Принцип программного управления.
• Принцип двоичного кодирования.

В современном мире компьютеры проектируются по принципу открытой архитектуры. Данная архитектура, допускающая сборку, ремонт и усовершенствование ПК по его составным элементам — модулям. Принцип открытой архитектуры используется в конструкции персонального компьютера, при производстве IBM-совместимых (или Intel-совместимых) персонального компьютера.

Открытые спецификации архитектуры периферийного устройства или ПК позволяют сторонним производителям разрабатывать дополнительные устройства к системам с открытой архитектурой.

Материнская плата ПК – это сложнейшая многослойная печатная плата, на которую монтируется чипсет и прочие компоненты компьютерной системы. Материнская плата является главной основой построения системы ПК. Вместе с подключенным к ней устройствами, системная плата встраивается в системном блоке ПК.^[2]

Первая МП (материнская плата) была создана фирмой IBM в 1981 году. Данная плата не могла без корректировки поддерживать многие устройства расширения, таких как жесткий диск.

Системная плата состоит их нескольких частей, которые, чаще всего являются несъемными:

Разъем центрального процессора ЦПУ. Разъем, который предназначен для установки в него центрального процессора. Процессор, устанавливается в разъем вместо припаивания, и это значительно упрощает замену процессора в случае модернизации или ремонта персонального компьютера.

Разъемы оперативной памяти. В данные разъемы подключаются все модули динамической памяти, содержащие полупроводниковые интегральные схемы.

Микросхемы иными словами южный мост и северный мост.

Северный мост – это специальный прямоугольный чип, который располагается в верхней части материнской платы и находится под процессором, который отвечает за взаимодействие центрального процессора с видеоадаптером и оперативной памятью. Северный мост соединен с системной платой через южный мост и согласующий интерфейс.

Южный мост – это концентратор ввода-вывода. Который как правило обычно представлен в виде микросхемы, которая обеспечивает взаимодействие периферийных устройств с ЦПУ.

Особенности МП и то, какие устройства могут подключаться к ней определяют южный и северный мосты.

Загрузочное постоянное запоминающие устройства (BIOS). Это набор микропрограмм, реализующих интерфейс прикладного программирования для работы с аппаратурой компьютера и подключёнными устройствами к нему.

Контроллеры шин и слоты расширения. Компьютерные шины служат для передачи данных между блоками компьютера.

Интерфейсы и контролеры периферийных устройств. Это разъемы и слоты, в которые подключаются устройства ввода/вывода данных (мышь, монитор, принтер, клавиатура и т.д.).

1.2 Процессор

Процессор является основной микросхемой в современном ПК, так как именно он координирует работу остальных частей системы и осуществляет обработку данных. Главный центральный процессор состоит из набора регистров и устройства управления, а также из арифметико-логического устройства (АЛУ). АЛУ обеспечивает выполнение вычислительных действий. Устройство управления обеспечивает порядок выполнения прерывания и операций. Также роль памяти играют регистры.^[3] 

Персональный компьютер содержит в своем составе довольно много различных процессоров. Каждое устройство, будь то видеокарта, системная шина или еще что-либо, обслуживается своим собственным процессором или процессорами. Однако архитектуру и конструктивное исполнение персонального компьютера определяет процессор или процессоры, контролирующие и обслуживающие системную шину и оперативную намять, и, что более важно, выполняющие объектный код программ. Такие процессоры принято называть центральными или главными процессорами (Central Point. Unit — CPU). На основе архитектуры центральных процессоров строится архитектура материнских плат и проектируется архитектура и конструкция компьютера.

Компьютеры с процессорами, поддерживающими систему команд Intel х86 (фирм Intel, AMD, Cyrix, Transmeta), на которых может исполнять операционная система Microsoft Windows, называются Wintel-компьютерами (от Windows и Intel).

Тактовая частота процессора определяет минимальный квант времени, за который процессор выполняет некоторую условную элементарную операцию. Тактовые частоты измеряются в мегагерцах и определяют количественные характеристики производительности компьютерных систем в целом. Чем больше (выше) тактовая частота, тем быстрее работает центральный процессор.

Каждый микропроцессор имеет определенное число элементов памяти, называемых регистрами, арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления.

Регистры используются для временного хранения выполняемой команды, адресов памяти, обрабатываемых данных и другой внутренней информации микропроцессора. В АЛУ производится арифметическая н логическая обработка данных.

Устройство управления вырабатывает необходимые управляющие сигналы для внутренней работы микропроцессора и связи его с другой аппаратурой через внешние шины микропроцессора.

Первые процессоры были созданы с использованием электромеханических реле, ферритовых сердечников и вакуумных ламп. В середине 1950-х годов были внедрены транзисторы. Затем, спустя несколько десятилетий, появились микросхемы, которые сначала содержали простые резисторные и транзисторные сборки, далее появились микросхемы, содержащие функциональные блоки процессора — регистры, микропрограммное устройство, арифметико-логического устройства, устройства работы с шинами команд и данных.^[4]

На сегодняшний день процессор представлен в виде электронного блока. Также процессор часто называют микропроцессором.

Процессор, как и другие устройства, имеет несколько основных характеристик, которые определяют качество работы. Ими являются:

• Производительность.
• Тактовая частота.
• Энергопотребление.
• Архитектура процессора.

Принцип открытой архитектуры персонального компьютера позволяет нам устанавливать на ПК более мощные и производительные центральные процессоры.^[5]

1.3 Оперативная память

Оперативная память – является одной из основных частей ПК. Она предназначена для текущего хранения фрагментов пользовательских программ, операционной системы, их результатов работы и переменных и т.д. Частенько ОП называют оперативным запоминающим устройством ОЗУ. Количество задач, которое компьютер может выполнить одновременно, зависит от объема ОП.^[6]

ОЗУ – энергозависимая часть системы памяти компьютера, то есть данные сохраняются и доступны тогда, когда на модули ОП подается напряжение. При выключении питания теряется информация.

Обмен данными между оперативной памятью и процессором производится:

• через регистры в АЛУ;
• непосредственно.

Первые образцы ОП появились в 1834 году, когда математик Чарлз Бэббидж изобретал первую аналитическую машину. Одну из важнейших частей этой машины он называл «складом», эта часть была предназначена для хранения промежуточных результатов вычислений. Информация в «складе» запоминалась в чисто механическом устройстве в виде шестерней и поворотов валов.

Раньше в качестве оперативной памяти были использованы запоминающие устройства, основанные на разных физических принципах (акустические линии задержки, ЭЛ-трубки, электромагнитные реле, и т.д.). Потом использовались также магнитные сердечники, электромагнитные барабаны.

Random Access Memory — память с произвольным (прямым) доступом. Означает это то, что при необходимости, память может напрямую обратиться к одному, необходимому блоку, не затрагивая при этом остальные. Скорость произвольного доступа не меняется от места нахождения нужной информации, что является огромным плюсом.

Оперативная память, выгодно отличается от энергозависимой памяти, практически нулевым влиянием количества операций чтениязаписи на срок службы и долговечность. При соблюдении всех тонкостей при производстве, оперативная память очень редко выходит из строя. В большинстве случаев, повреждённая память, начинает допускать ошибки, которые приводят к краху системы или нестабильной работе многих устройств компьютера.

Использование оперативной памяти, позволяет приложениям работать и запускаться быстрее. Данные беспрепятственно могут обрабатываться и ждать своей очереди благодаря адресуемости (все машинные слова имеют свои собственные адреса).

Операционная система Windows 7 к примеру, может хранить в памяти часто используемые файлы, программы и другие данные. Это позволяет при запуске программ не ждать пока они загрузятся с более медленного диска, а сразу начнут выполнение. Потому не стоит пугаться, если диспетчер задач показывает что ваша ОЗУ загружена более чем на 50%. При запуске приложения, требующего больших ресурсов памяти, более старые данные будут вытеснены из неё, в пользу более необходимых.

В большинстве устройств, используется динамическая память с произвольным доступом DRAM (Dynamic Random Access Memory), которая имеет низкую цену, но медленнее статической SRAM (Static Ramdom Access Memory). Более дорогая статическая память, нашла своё применение в быстрой кэш памяти процессоров, видеочипов и контроллёров. Из-за того, что статическая память занимает на кристалле гораздо больше места, чем динамическая, во времена быстрого развития компьютерной периферии и операционных систем, производители пошли по пути большего объёма, а не по пути более высокой скорости, что было более оправдано.