Файл: Устройства персонального компьютера (Классическая структура и принципы персонального компьютера).pdf

Компьютеры проникли во все сферы деятельности людей, начиная с начального образования и заканчивая изучением новейших технологий, изучения новых видов материи, неизвестных пока человечеству. Благодаря разнообразию аппаратного и программного обеспечения сегодня является возможным использование всех потенциальных возможностей компьютерных технологий. Это дает возможность хранить значительное количество информации, занимая при этом минимальное место. Также компьютерные технологии позволяют быстро данную информацию обрабатывать и держать её в защищённом виде.

Информатизация – это сложный социальный процесс, который связан с серьезными изменениями в образе жизни общества. Он требует значительных усилий на множестве направлений, включая формирование культуры использования новых информационных технологий, ликвидацию компьютерной неграмотности и др.

Движущей силой развития общества должно стать производство информационного, а не материального продукта. В информационном обществе изменяется не только производство, но и весь уклад жизни, система ценностей, возрастает значимость культурного досуга по отношению к материальным ценностям. В информационном обществе производятся и потребляются интеллект, знания, что приводит к увеличению доли умственного труда.

Целью работы является изучение устройства персонального компьютера.

Для решения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

- изучить общую структуру персонального компьютера;

- рассмотреть внутренние устройства персонального компьютера;

- изучить периферийные устройства персонального компьютера.

Объектом работы является устройство персонального компьютера.

Предметом работы является структура и принципы работы персонального компьютера.

При подготовке работы были использованы такие информационные источники как специализированная профессиональная литература, материалы из СМИ, данные Интернет-ресурсов. Применены такие методы и приемы исследования как анализ, синтез, сравнение.

1. Общая структура персонального компьютера

1.1. Классическая структура и принципы персонального компьютера

Архитектура ПК (персонального компьютера) включает в себя структуру, которая отражает состав персонального компьютера, а также программное обеспечение.

Структура персонального компьютера – это набор его функциональных элементов (от главных логических узлов до простейших схем) и связей между ними.

Архитектура информационные связи, определяет принципы действия и взаимное соединение основных логических узлов персонального компьютера, к которым относятся оперативное запоминающее устройство, процессор, периферийные устройства и внешние запоминающие устройства [8, с. 11].

Главным принципом построения всех современных персональных компьютеров является программное управление.

В 1946 г. американские исследователи Дж. фон Нейман, персонального компьютера и Г. Голдштейн в совместном труде изложили новые принципы функционирования и построения ЭВМ. На основании данных принципов производилось первое и второе поколение ПК. В последующих поколениях происходили некоторые изменения, однако принципы фон Неймана (как они были названы) сохранялись [1, с. 119].

Главные принципы фон Неймана [3, с. 71]:

1. Использование двоичной системы счисления в персональном компьютере, в которой устройствам гораздо проще выполнять арифметико-логические операции, чем в десятичной.

2. Программное управление персонального компьютера. Работа персонального компьютера управляется программой, состоящей из набора команд, которые выполняются последовательно друг за другом. Создание машины с хранимой в памяти программой положило начало программированию.

3. Программы и данные хранятся в памяти персонального компьютера. Данные и команды кодируются одинаково в двоичной системе.

4. Ячейки памяти персонального компьютера имеют последовательно пронумерованные адреса. Возможность обращения к любой ячейке памяти по её адресу дала возможность использовать переменные в программировании.

5. Возможность условного перехода при выполнении программы. Команды в персональном компьютере выполняются последовательно, но при необходимости можно реализовать переход к любой части кода [9, с. 129].

Главным принципом было то, что программа уже стала не постоянной частью машины, а изменяемой, в отличие от аппаратуры, которая остается очень простой и неизменной [3, с. 73].

Фон Нейманом также была предложена структура персонального компьютера (рис. 1).

Рисунок 1 – Структура персонального компьютера [1, с. 121]

В состав машины фон Неймана входили:

- ЗУ (запоминающее устройство);

- АЛУ (арифметико-логическое устройство), которое выполняло все логические и арифметические операции;

- УУ (устройство управления), координирующее действия всех узлов машины в соответствии с программой;

- устройства ввода-вывода.

Данные и программы вводились в запоминающее устройство из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записывались в ячейки памяти последовательно, а данные для обработки – в произвольные ячейки.

Команда состояла из указания операции, которую нужно выполнить, и адресов ячеек памяти, в которых хранятся данные и над которыми нужно выполнять необходимую операцию, а также адреса ячейки, куда нужно записывать результат (для хранения в запоминающем устройстве).

Из АЛУ результаты выводятся в запоминающее устройство или устройство вывода. Принципиально данные устройства отличаются тем, что в запоминающем устройстве данные хранятся в удобном для обработки персонального компьютера виде, а на устройства вывода (принтер, монитор и т. д.) в удобном для человека [1, с. 123].

От устройства управления на другие устройства поступают сигналы с командами, а от других устройств УУ получает информацию о результате их выполнения.

В устройстве управления содержится специальная ячейка (регистр) – счетчик команд, в которую записывается адрес первой команды программы. Устройство управления считывает из памяти содержимое соответствующей ячейки памяти и помещает его в специальное устройство – регистр команд. Устройство управления определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства ПК [4, с. 147].

После выполнения команды счётчик команд увеличивается на один и указывает на последующую команду программы. При нужности выполнения команды, которая не следует по порядку за текущей, специальная команда перехода содержит адрес ячейки, в которую необходимо передать управление [9, с. 131].

1.2. Структура современных персональных компьютеров

В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Персональный компьютер состоит из отдельных модулей – частей, которые являются относительно самостоятельными устройствами персонального компьютера (к примеру, оперативная память, процессор, контроллер, принтер, дисплей, сканер и т. п.).

Модульный принцип дает возможность пользователям самому комплектовать нужную конфигурацию персонального компьютера и проводить при нужности его обновление. Модульная организация системы основывается на магистральном принципе обмена информацией. Для работы персонального компьютера как единого механизма нужно осуществлять обмен данными между разными устройствами, за что отвечает магистральная (системная) шина, выполняемая в виде печатного мостика на материнской плате.

Главные особенности архитектуры персонального компьютера сводятся к принципам компоновки аппаратуры, а также к выбранному набору системных аппаратных средств.

Такая архитектура характеризуется её открытостью – возможностью включения в персональный компьютер дополнительных устройств (периферийных и системных), а также возможностью простого встраивания программ пользователя на любом уровне программного обеспечения персонального компьютера.

Также совершенствование архитектуры персонального компьютера связывается с максимальным ускорением обмена информацией с системной памятью. Именно из системной памяти, в которой хранятся данные, персональный компьютер считывает все исполняемые команды. Таким образом, наибольшее число обращений ЦП (центральный процессор) совершает к памяти и ускорение обмена с памятью приводит к значительному ускорению работы всей системы в общем [3, с. 75].

Так как при использовании системной магистрали для обмена процессора с памятью приходится учитывать скоростные ограничения самой магистрали, то существенного ускорения обмена данными при помощи магистрали добиться нельзя.

Для решения данного вопроса был предложен следующий подход. Системная память вместо системной магистрали подключается к специальной высокоскоростной шине, которая дистанционно находится ближе к процессору и не требует больших расстояний и сложных буферов. В данном случае обмен с памятью идёт с максимально возможной для процессора скоростью, и системная магистраль не замедляет его. Особенно актуальным данное решение стало с увеличением быстродействия процессоров.

Таким образом, структура персонального компьютера из одношинной, которая применялась только в первых ПК, становится трехшинной.

Рисунок 2 - Трехшинная структура персонального компьютера

АЛУ и УУ в современных персональных компьютерах образуют процессор. Процессор, состоящий из одной или нескольких больших интегральных схем, называется микропроцессорным комплектом или микропроцессором.

Многопроцессорная архитектура персонального компьютера. Наличие в персональном компьютере нескольких процессоров значит, что параллельно может быть организовано множество команд и потоков данных, т. е. одновременно могут исполняться несколько фрагментов одной задачи [2, с. 47].

Рисунок 3 - Архитектура многопроцессорного персонального компьютера

Многомашинная вычислительная система. В архитектуре многомашинной вычислительной системы каждый процессор имеет свою оперативную память. Применение многомашинной вычислительной системы эффективно при решении задач, имеющих очень специальную структуру, которая должна состоять из такого количества персональных компьютеров, на сколько слабо связанных подзадач разбита система.

Многомашинные и многопроцессорные вычислительные системы имеют преимущество перед однопроцессорными в быстродействии.

Архитектура с параллельными процессорами. В этой архитектуре несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это значит, что много данных может обрабатываться по одной программе, т.е. по одному потоку команд. Высокое быстродействие данной архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на разных однотипных наборах данных.

Рисунок 4 - Архитектура с параллельным процессором

В современных машинах часто присутствуют элементы разных типов архитектурных решений. Существуют и другие архитектурные решения, отличные от вышерассмотренных.

Системный блок ПК содержит корпус и находящиеся в нем источник питания, материнскую (системную, или основную) плату с оперативной памятью и процессором, платы расширения (звуковую карту, видеокарту), различные накопители (жесткий диск, дисководы, приводы CD–ROM), дополнительные устройства [2, с. 48].

2. Внутренние устройства персонального компьютера

2.1. Материнская плата

Персональный компьютер (ПК) состоит из множества узлов, передающих друг другу информацию, обрабатывающих её и обменивающихся ею с пользователем. Каждый узел выполняет свою узкоспециализированную функцию. Большинство этих узлов расположены в одном конструктивно законченном элементе – материнской плате.