Файл: Функциональная структура компьютера и его отдельных составляющих.pdf

Введение

Сегодня почти в каждом доме есть собственный компьютер, а иногда даже и не один. Уровень минимально необходимой компьютерной грамотности понижается, но при появлении мельчайшей проблемы возникают ситуации, которые разрешить может только опытный пользователь. Если проблема возникает с аппаратной частью компьютера, то необходимо разбираться в таких аспектах, как системная магистраль, порты, разъемы, уметь отличать устройства друг от друга и знать их назначение.

Актуальностью данной темы является сбор и структурирование знаний о функциональной структуре компьютера и его отдельных составляющих. Только полное знание структуры персонального компьютера и его компонентов может позволить без опасений совершать любые манипуляции с аппаратной составляющей компьютера любому пользователю.

Объектом исследования является функциональная структура персонального компьютера, предметом исследования являются основные устройства персонального компьютера.

Целью данной работы является структуризация знаний о функциональной структуре персонального компьютера с анализом его основных компонентов.

Задачами данной работы являются:

• обзор архитектуры персонального компьютера с выделением основных элементов;
• изучение структурной схемы персонального компьютера, отдельное выделение контроллеров и системной магистрали;
• рассмотрение основных устройств персонального компьютера.

В основу исследования легли книги по архитектуре персональных компьютеров из серии «Классика Computer Science» всемирно известных авторов, таких как Э. Таненбаум, Д. Паттерсон и Д. Хеннесси.

1. Общая структура компьютера

1.1. Функциональная структура компьютера

Функциональная структура электронно-вычислительных машин включает в себя состав аппаратного обеспечения персонального компьютера и программно-математическое обеспечение. Структура электронно-вычислительной машины является совокупностью элементов и связей между ними. Современные ЭВМ построены на принципе программного управления^[1].

Основоположником учения об архитектуре вычислительных машин считается Джон фон Нейманом. Совокупность принципов данного учения породила классическую архитектуру ЭВМ, названную фон-неймановской.

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства электронно-вычислительных машин, но и предложил ее структуру^[2]. Схема данной структуры представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Фон-неймановская структура логического устройства ЭВМ

У Фон Неймана были выделены шесть основных положений.

1. Компьютер состоит из шести основных типов устройств, среди которых арифметико-логическое устройство, управляющее устройство, внешнее запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство и устройства ввода и вывода
2. Арифметико-логическое устройство должно выполнять арифметические и логические действия, которые необходимы для переработки хранящейся в памяти информации^[3].
3. Управляющее устройство должно обеспечивать контроль и управление всеми устройствами компьютера. На рисунке 2 пунктирными стрелками указаны управляющие сигналы.
4. Хранящиеся в запоминаемом устройстве данные должны быть представлены в двоичной форме.
5. Задающая работу компьютера программа должна храниться одном запоминающем устройстве с данными.
6. Устройства ввода и вывода должны использоваться для ввода и вывода информации^[4].

Одним из важнейших принципов является принцип хранимой программы, требующий закладывание программы в память машины так же, как в нее закладывается исходная информация.

Процессор в современных процессорах ЭВМ образует арифметико-логическим устройством и устройством управления. Процессор, состоящий из одной или нескольких больших интегральных схем, называется микропроцессорным комплектом или микропроцессором^[5].

Процессор является функциональной частью ЭВМ, которая выполняет основные операции по управлению работой других блоков и обработке данных. Процессор преобразует информацию, которая поступает из внешних устройств и внутренней памяти.

Запоминающими устройствами обеспечивается хранение промежуточных и исходных данных, программ и результатов вычислений. Они включают внешние, постоянные, сверхоперативные и оперативные запоминающие устройства^[6].

Оперативные запоминающие устройства хранят информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время. В сверхоперативных запоминающих устройствах хранятся наиболее часто используемые процессором данные. Только та информация, которая хранится в сверхоперативных запоминающих устройствах и оперативных запоминающих устройствах непосредственно доступна процессору.

Внешние запоминающие устройства имеют емкость намного больше емкости оперативных запоминающих устройств, но с существенно более медленным доступом. Внешние запоминающие устройства используются для длительного хранения больших объемов информации, такой как, операционная система, которая хранится на жестком диске, но при запуске компьютера резидентная часть операционной системы загружается в оперативное запоминающее устройство и находится там до завершения сеанса работы компьютера^[7].

Перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства и постоянные запоминающие устройства предназначаются для постоянного хранения информации, которая записывается туда при ее изготовлении, например в BIOS.

В качестве устройства ввода информации может служить, например клавиатура. В качестве устройства вывода может служить дисплей, принтер и другие подобные устройства^[8].

В ЭВМ, построенной по схеме фон Неймана, происходит последовательное считывание и выполнение команд из памяти. Адрес очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством, которое является счетчиком команд в устройстве управления^[9] [8, 10, 12].

1.2. Структурная схема компьютера

Основным устройством компьютера является материнская плата, так как она определяет его конфигурацию. Все устройства компьютера подключаются к этой плате с помощью разъемов, которые расположенных на ней. Соединение всех устройств в единую систему обеспечивается с помощью системной магистрали, которая представляет собой линии передачи управления, адресов и данных^[10].

Ядро компьютера образуется центральным микропроцессором и основной памятью, которая состоит состоящая из постоянного запоминающего устройства и оперативной памяти.

Подключение всех внешних устройств, таких как монитор, принтер, клавиатура, мышь и внешние запоминающие устройства обеспечивается через карты, адаптеры, контроллеры^[11] [6, 8, 10].

Схема подключения внешних устройств через системную магистраль представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Схема подключения внешних устройств через системную магистраль

1.2.1. Системная магистраль

Системной магистралью или компьютерной шиной в архитектуре компьютера называют подсистему, которая служит для передачи данных между функциональными блоками компьютера. Шина устроена таким образом, что в ней выделяют логический, электрический и физический уровни^[12].

Основным назначением шины является возможность подключения нескольких устройств по одному набору проводников, что отличает ее от соединения точка-точка. У каждой шины существует собственный набор соединений для физического подключения кабелей и устройств^[13].

Шины в первых компьютерах являлись связанными пучками соединительных сигнальных проводов и проводов питания, которые реализовывали базовые функции параллельных электрических шин с несколькими подключениями. В современных вычислительных системах данный термин используется для любых физических механизмов, которые предоставляют такую же логическую функциональность, как параллельные компьютерные шины^[14].

Современные компьютерные шины используют как последовательные, так и параллельные соединения и могут иметь цепные и параллельные топологии. Некоторые шины также допускают использование концентраторов.

Большое количество используемых на сегодняшний день скоростных шин используют оптические, а не электрические соединения для передачи сигналов. В качестве примеров таких шин можно привести SDH, Fibre Channel, скоростной Ethernet и InfiniBand^[15].

Шины устроены таким образом, что разъемы и другие присоединители унифицированы, позволяя подключать к шине различные виды устройств.

Передачей данных по шине может управлять либо ядро операционной системы, в таком случае к нему прилагается соответствующий драйвер, либо управление реализуется на уровне прохождения сигнала.

По одной из классификаций шины разделяют на параллельные и последовательные. Параллельные шины переносят данные по словам, которые распределены между несколькими проводниками, а последовательные шины переносят данные побитово^[16].

Также различают внутренние и внешние шины. Внешние шины подключают к материнской плате внешнюю периферию, а внутренние подключают внутренние компоненты компьютера. Тип внутренних шин также называется локальной шиной, так как она служит для подключения локальных устройств.

Иногда в качестве шин также рассматривают сетевые соединения, такие, как InfiniBand и HyperTransport^[17] [8, 9, 10, 12].

1.2.2. Контроллеры

Процессору для обработки доступна только информация, хранимая в оперативном запоминающем устройстве, поэтому необходимо, чтобы в его оперативной памяти находились и данные и программа.

В компьютере информация с внешних устройств пересылается в оперативное запоминающее устройство, а результаты выполнения программ с оперативного запоминающего устройства также выводится на внешнее устройство^[18].

Получает, что, в компьютере должен осуществляться ввод и вывод информации между внешними устройствами и оперативной памятью. Устройства, осуществляющие обмен информацией между внешними устройствами и оперативной памятью, называются адаптерами или контроллерами, иногда картами. Карты, адаптеры или контроллеры имеют свою память и свой процессор, представляя собой специализированный процессор.

Схемы, которые управляют внешними устройствами компьютера, называемые адаптерами или контроллерами, находятся на отдельных платах, вставляемых в унифицированные слоты на материнской плате^[19] [4, 12].

По итогам данной главы можно отметить сложность функциональной структуры современных компьютеров, по сравнению с другими устройствами нашего времени. Многие методы передачи логики в электронных схемах были разработаны специально для персонального компьютера и используются только в нем.

2. Основные устройства компьютера

2.1. Центральный процессор

Центральный процессор является электронным блоком либо интегральной схемой, исполняющим инструкции машины, основная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера^[20].

Изначально термином «центрального процессорного устройства» описывался специализированный класс логических машин, которые предназначены для исполнения сложных компьютерных программ. Ввиду очень полного совпадения этого назначения с функциями компьютерных процессоров, которые существовали в то время, он стал использоваться для названия самих компьютеров^[21].