Файл: Устройство персонального компьютера (Понятие персонального компьютера и его архитектуры).pdf

Принцип хранимой программы

Этот принцип заключается в том, что команды представляются в двоичном виде и хранятся в той же ОЗУ, что и исходные данные. Только команды для исполнения выбираются из ОЗУ в устройство управления (УУ), а данные (операнды) в АЛУ, при этом для ЭВМ и команда, и данные являются машинным словом, и если команду напрвить в АЛУ в качестве операнда, то над ней можно произвести арифметические операции, изменив ее. Это открывает возможности преобразования программ в ходе их выполнения, кроме того, принцип хранимой в ОЗУ программы обеспечивает одинаковое время загрузки команд и операндов из ОЗУ для выполнения и обработки, позволяет быстро менять программы или их части, вводить непрямые системы адресации, видоизменять программы по определенным правилам.

Принцип условного перехода

Этот принцип обеспечивает возможность перехода в процессе выполнения программы на тот или иной ее участок в зависимости от промежуточных, полученных в ходе вычислений, результатов (обычно в зависимости от знака результата после завершения арифметической операции или от результата выполнения логической операции). Реализация этого принципа позволяет, легко организовывать циклы с автоматическим выходом из них, итерационные процессы и т.д. Благодаря принципу условного перехода, число команд в программе получается во много раз меньше, чем число выполняемых процессором команд при исполнении данной программы.

Принцип иерархичности памяти

Иерархическое (уровневое) построение памяти позволяет иметь быстродействующее оперативное ЗУ сравнительно небольшой емкости только для операндов и команд, участвующих при счете в данный момент и ближайшее время, и внешние с более медленной скоростью доступа, но более емкие, относительно дешевые и надежные.

Принцип открытой архитектуры

В конструкции компьютеров фирмы IBM PC используется так называемый принцип открытой архитектуры, который предусматривает, в первую очередь, предусматривает возможность дополнения имеющихся аппаратных средств новыми без замены старых. Например, можно наращивать оперативную память, подключать дополнительные периферийные устройства и т.д. Кроме того, можно заменять старые компоненты новыми без замены всего компьютера (например, заменить старый видеоадаптер более совершенным). Это называется "upgrade" – обновить. Сборка компьютера из разных частей, покупаемых отдельно друг от друга, по принципу открытой архитектуры, обходится дешевле, чем приобретение компьютера целиком.

1.3 Шинная архитектура компьютера

К компонентам архитектуры компьютера относятся главный (центральный) и вспомогательные процессоры, запоминающее устройство, устройство ввода-вывода информации (включая внешние), внутреннее математическое обеспечение ЭВМ [16].

Главной отличительной чертой структуры персонального компьютера является наличие системной шины, благодаря которой все его устройства взаимодействуют и обмениваются информацией.

Шина (Bus) – это весь набор проводников на материнской плате, по которым компоненты и устройства ПК обмениваются информацией. Шина предназначена для обмена информацией между двумя или более устройствами. Шина, соединяющая только два устройства, называется портом [11].

В шине есть места для подключения внешних устройств – слоты, которые в результате становятся частью шины и могут обмениваться информацией со всеми другими подключенными к ней устройствами.

Шины в ПК отличаются по своему функциональному назначению:

• системная шина (или шина центрального процессора) используется микросхемами чипсета для отправки информации в ЦПУ и из него;
• шина кеша предназначена для обмена информацией между процессором и кеш-памятью;
• шина памяти используется для обмена информацией между оперативной памятью и процессором;
• шины ввода / вывода информации делятся на стандартные и локальные.

Локальная шина ввода / вывода – это высокоскоростная шина, предназначенная для обмена информацией между высокоскоростными периферийными устройствами (видеоадаптеры, сетевые карты, карты сканеров и т. д.) и системной шиной под управлением ЦП. В настоящее время шина PCI используется в качестве локальной шины. Чтобы ускорить ввод / вывод видеоданных и повысить производительность ПК при обработке трехмерных изображений, Intel разработала шину AGP (порт ускоренной графики).

Стандартная шина ввода / вывода используется для подключения к вышеупомянутым шинам более медленных устройств (например, мышей, клавиатур, модемов, старых звуковых карт). В настоящее время используется USB-шина [1].

Шина имеет собственную архитектуру, которая позволяет реализовать ее важнейшие свойства – возможность параллельного подключения практически неограниченного количества внешних устройств и обеспечения обмена информацией между ними. Архитектура любой шины имеет следующие компоненты:

• линии для обмена данными (шина данных);
• линии для адресации данных (адресная шина);
• линии управления данными (шина управления);
• контроллер шины.

Контроллер шины контролирует процесс обмена данными и служебными сигналами и обычно выполняется как отдельный чип или как совместимый чипсет.

Шина данных обеспечивает обмен данными между процессором, платами расширения, установленными в слотах, и оперативной памятью. Чем выше ширина шины, тем больше данных может быть передано за один такт, и тем выше производительность ПК.

Адресная шина используется для указания адреса любому устройству ПК, с которым ЦП обменивается данными. Каждый компонент ПК, каждый регистр ввода / вывода и ячейка ОЗУ имеют свой собственный адрес и включены в общее адресное пространство ПК. Код адреса используется для передачи идентификационного кода (адреса) отправителя и / или получателя данных [1].

Шина управления передает ряд служебных сигналов: запись / чтение, готовность к приему / передаче данных, подтверждение приема данных, аппаратное прерывание, управление и другие, чтобы обеспечить передачу данных.

Пропускная способность шины определяется количеством байтов информации, передаваемой по шине в секунду. Чтобы определить полосу пропускания шины, необходимо умножить тактовую частоту шины на ее битовую емкость. Например, для 16-битной шины ISA пропускная способность определяется следующим образом:

Внешние устройства подключаются к шинам через интерфейс (интерфейс – сопряжение), который представляет собой совокупность различных характеристик периферийного устройства ПК, определяющего организацию обмена информацией между ним и центральным процессором.

Эти характеристики включают электрические и временные параметры, набор управляющих сигналов, протокол обмена данными и конструктивные особенности соединения. Обмен данными между компонентами ПК возможен только при совместимости интерфейсов этих компонентов.

На рисунке 1.1 показана компьютерная структура с разными шинами [1].

Рисунок 1.1 – Форма компьютерной структуры с разными шинами

2 Основные устройства персонального компьютера

2.1 Общий состав персонального компьютера

Кроме системной шины, компьютер включает в себя следующие устройства [10]:

• центральный процессор (ЦП). Он выполняет вычисления для программы, хранящейся в оперативной памяти, и обеспечивает общее управление компьютером. Процессор содержит: арифметико-логический блок (АЛУ), предназначенный для выполнения арифметических и логических операций (т. е. фактически являющийся компьютерным калькулятором);
• блок управления (БУ), который обеспечивает общий контроль вычислительного процесса программой и координацию работы всех компьютерных устройств.
• внутренняя память (ВП) – это запоминающее устройство, напрямую соединенное с процессором и предназначенное для хранения исполняемых программ и данных, непосредственно участвующих в операциях. Он имеет довольно высокую скорость, но ограниченный объем. Внутренняя память делится на различные типы, основными из которых являются оперативная память (RAM или RAM) и постоянная память (ROM или ROM).
• периферийные устройства (ПУ), устройства, которые структурно отделены от центральной части компьютера (ЦП и ВП), имеющие собственный контроль и выполняющие запросы ЦП без его непосредственного вмешательства.

По функциональным признакам ПУ делятся на две основные группы [6]:

• внешние запоминающие устройства (ВЗУ), которые служат дополнительным энергонезависимым, более медленным, но и более емким полем памяти машины для длительного хранения программ и данных. В качестве ВЗУ компьютеры обычно используют жесткие магнитные дисководы, а также твердотельные накопители.
• устройства ввода-вывода (УВВ), которые обеспечивают связь пользователя с компьютером. Набор УВВ для компьютера значительно богаче: дисплей, клавиатура, различные манипуляторы (например, мышь, джойстик, трекбол), печатающее устройство (принтер), устройства ввода / вывода графической информации (сканер, плоттер), и т.п.

2.2 Материнская плата ПК

Основная и самая сложная плата ПК называется материнской (motherboard), генеральной, системной платой (СП), поскольку она содержит сердце ПК – микропроцессор. На ней также размещены несколько сверхбольших интегральных схем (СБИС), ОЗУ, ПЗУ и ряд других микросхем, переключатели – перемычки режимов работы ПК, разъемы расширения для подключения плат адаптеров и контроллеров [8].

Системная (материнская) плата (англ. – motherboard, mainboard, MB, разг. – мамка, мать, материнка) – это основная плата, к которой подсоединяются все части компьютера (процессор, видеокарта, ОЗУ и др.), главная задача материнской платы – соединить и обеспечить совместную работу всех элементов компьютера [9].

Основой любой современной материнской платы является набор системной логики, который чаще называют чипсетом. Слово «чипсет» (chipset) в переводе с английского переводится как «набор микросхем». Однако, как правило, в современных компьютерах этот набор состоит из небольшого количества элементов – обычно это 2, иногда 3 чипа. И многие современные чипсеты, в частности, некоторые чипсеты Intel, как правило, работают только с одним контроллером.

В традиционной схеме чипсет состоит из двух чипов с хорошо отлаженным набором функций. Традиционно эти две микросхемы называются «южный мост» и «северный мост». Это название связано с тем, что обычно «северный» чип находится в верхней части материнской платы, а «южный» – соответственно в нижней. Мостами эти микросхемы не случайно называют, потому что именно через них проходит соединение между всеми элементами компьютера, такими как процессор, ОЗУ, шины ввода-вывода, шины хранения и т. Д. Но северный и южный мосты – это скорее повседневный термин. Формальное имя, обозначающее северный мост, – это концентратор контроллера памяти, а южное – это концентратор контроллера ввода-вывода.

Северный и южный мост соединены специальной шиной для обмена данными. Если раньше эти данные передавались через шину ввода / вывода, например, PCI, то теперь у каждого производителя чипсета есть высокоскоростная шина собственного формата для этой цели.

Схема взаимодействия чипсета со всеми элементами материнской платы показана на рисунке 2.1 [18].

Рисунок 2.1 – Схема взаимодействия чипсета со всеми элементами материнской платы

В функции чипсета входит интеграция различных устройств, расположенных на материнской плате – памяти, процессора, шин ввода-вывода, портов и т. д. и координация их взаимодействия. Кроме того, чипсет часто содержит встроенную систему вывода видео и звука и сетевой контроллер.

Южный и северный мосты отвечают за различные функции. Северный мост управляется высокоскоростными устройствами, такими как процессор, память, шина PCI-E. Также на северном мосту встроена видеосистема. Южный мост отвечает за остальную часть периферии, как правило, на низкой скорости. Это PCI, SATA, USB и многие другие. Северный мост называется контроллером памяти, однако это правило часто не соблюдается, так как во многих моделях чипсетов управление памятью не является частью функций северного моста, а осуществляется благодаря возможностям центрального процессора.