Файл: Кудряшова Анастасия Юрьевна Интернеткурс по дисциплине Информационные технологии в.pdf

37
Вопрос 2. Архитектура персонального компьютера
Архитектура персонального компьютера определяется в первую очередь его внутренним устройством: центральным процессором и подсистемами памяти, внутримашинным интерфейсом, а также подсистемами ввода-вывода информации
(рисунок 3.3).
Рисунок 3.3 – Структурная схема персонального компьютера
Центральным блоком персонального компьютера является микропроцессор, управляющий всеми другими устройствами компьютера и выполняющий арифметические и логические операции с данными. В состав микропроцессора входят:
• устройство управления (УУ), формирующее на основе опорных сигналов тактового генератора сигналы управления, а также адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передающее их в соответствующие блоки;
• арифметико-логическое устройство (АЛУ), предназначенное для выполнения всех арифметических и логических операций над данными;
• микропроцессорная память (МПП), служащая для кратковременного хранения, записи и выдачи данных, непосредственно используемых в вычислениях в ближайшие такты машины. Микропроцессорная память реализована в виде регистров — быстродействующих устройств, предназначенных для временного хранения данных ограниченного размера. Как правило, регистры имеют ту же разрядность, что и машинное слово (двоичное число, обрабатываемое за один такт);
•
интерфейсная система микропроцессора (ИСМ), реализующая сопряжение
(связь) микропроцессора с другими устройствами компьютера. Включает внутренний интерфейс микропроцессора, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной.
Основной интерфейсной системой компьютера, обеспечивающей сопряжение и связь всех его устройств между собой, является системная шина (магистраль), в состав которой входят следующие компоненты:

38
• шина данных для параллельной передачи всех разрядов машинного слова данных;
• шина адреса из проводов и схем сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;
• шина управления для передачи управляющих сигналов во все блоки компьютера.
Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:
• между микропроцессором и основной памятью;
• микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
• основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).
Все блоки компьютера (их порты ввода-вывода) через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется, как правило, контроллером шины, формирующим основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII- кодов.
Основная память компьютера предназначена для хранения и оперативного обмена информацией между блоками компьютера. Содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство
(ОЗУ):
• ПЗУ хранит неизменяемую (постоянную) программную информацию и позволяет только считывать хранящуюся в нем информацию. Здесь хранятся программы тестиров ния оборудования ПК, обслуживания ввода/вывода, некоторые данные и др. При выключении электропитания компьютера содержимое постоянной памяти сохраняется;
• ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в процессе работы ПК.
Главное достоинство оперативной памяти — ее высокое быстродействие и возможность прямого обращения к каждой адресуемой группе из восьми ячеек памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). Память называется оперативной потому, что работает так быстро, что процессору почти не приходится ждать при чтении данных из памяти и записи в нее. При выключении питания ПК вся информация ОЗУ стирается. Объем установленной в компьютере оперативной памяти определяет, с каким программным обеспечением можно на нем работать. При недостаточном объеме оперативной памяти многие программы либо не работают, либо работают медленно.
Внешняя память ПК относится к внешним устройствам и используется для долговременного хранения информации. Устанавливаемое и все прикладное программное обеспечение компьютера хранится во внешней памяти. К внешней памяти компьютера относятся разнообразные запоминающие устройства, но основными являются накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД). Назначение этих дисков — хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. В качестве устройств внешней памяти используются также запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (стримеры), накопители на оптических дисках, флеш-карты и др.
Генератор тактовых импульсов (ГТИ) генерирует последовательность электрических импульсов. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы компьютера.
Частота ГТИ — одна из основных характеристик персонального компьютера и во

39 многом определяет скорость его работы, так как каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.
Источник питания (ИП) компьютера представляет собой блок, содержащий системы энергопитания узлов ПК.
К внешним устройствам персонального компьютера кроме внешней памяти относятся разнообразные устройства ввода/вывода информации, и основными здесь являются видеомонитор, клавиатура, мышь.
Вопрос 3. Компоненты персонального компьютера
Минимальный состав персонального компьютера включает системный блок, клавиатуру, монитор и мышь (рисунок 3.4).
Рисунок 3.4 – Персональный компьютер
Системный блок содержит основные электронные схемы и устройства управления компьютера, устройства внешней памяти, блок питания.
Клавиатура — стандартное устройство ввода информации, передающее в компьютер символы или команды.
Монитор, или дисплей, — стандартное устройство вывода, отображения информации в форме знаков, графического и видеоизображения на электронном экране.
Современные программные средства используют монитор как инструмент организации графического взаимодействия с пользователем, в частности для совместного ввода информации с помощью клавиатуры и мыши.
Мышь — устройство позиционирования указателя на экране, позволяющее без использования клавиатуры выделять, перемещать, изменять объекты, отдавать команды.
Устройства в составе компьютерной системы должны быть совместимы.
Совместимость — способность различных объектов к взаимодействию. Источники и получатели информации, комплектующие устройства аппаратуры должны для выполнения операций обладать совместимостью. Совместимостью должны обладать видеомагнитофон и телевизор, элементы телефонной связи и радиосвязи.
Качество, противоположное совместимости, - несовместимость, конфликты при обработке информации. В компьютерной системе обработка и обмен данными выполняются при условии совместимости устройств и программ разных производителей
(передать на монитор, принтер; получить от клавиатуры, мыши, модема; работать с диском).
Системный блок содержит в корпусе системную (материнскую, или основную

40 плату), платы расширения (контроллеры и адаптеры), накопители информации (жесткий диск, SSD), блок питания (рисунок 3.5).
Рисунок 3.5 – Устройство системного блока
На передней панели системного блока расположены кнопки включения компьютера, с тыльной стороны находятся разъемы для подсоединения внешних устройств.
Самопроверка и загрузка компьютера. Соединение системного блока кабелями с периферией (клавиатурой, мышью, монитором, принтером, звуковыми колонками) рекомендуется выполнить до включения.
На передней панели системного блока находятся кнопка включения (выключения) электропитания, кнопка принудительной перезагрузки Reset (может быть совмещена с кнопкой питания) и индикаторы работы винчестера и дисководов. Существуют три варианта загрузки операционной системы в оперативную память компьютера.
1. «Холодный старт». Компьютер был выключен и включается кнопкой питания. При этом выполняется самопроверка устройств компьютера и начинается загрузка.
2. Перезагрузка системы после одновременного совместного нажатия трех клавиш клавиатуры Ctrl, Alt, Del. Блок питания не выключается, но нажатие клавиш Ctrl, Alt, Del очищает память.
3. «Горячий
старт». Принудительная перезагрузка кнопкой Reset применяется при зависании компьютера, когда не удается перезагрузка одновременно нажатыми клавишами Ctrl, Alt, Del. Электропитание не выключается.
Программа самопроверки (Power On Self Test, POST) после включения компьютера или после принудительной перезагрузки тестирует процессор на выполнение некоторых команд; постоянную память — на считывание данных; тактовый генератор, ячейки оперативной памяти, видеосистему и, наконец, клавиатуру, порты, жесткий диск, дисководы. Когда проверка технического состояния завершена успешно, начинается процесс загрузки операционной системы в оперативную память.
После выключения питания для полной остановки вращения жесткого диска компьютера требуется некоторое время, поэтому повторное включение компьютера следует выполнить не ранее чем через 30 с.
Системная, или материнская, плата — основная электронная плата компьютера, на которой размещены: центральный процессор, модули оперативного запоминающего устройства, постоянное запоминающее устройство, схемы для взаимодействия с другими

41 устройствами (контроллеры управления периферийными устройствами, такими как монитор, клавиатура, дисководы), разъемы для подключения дополнительных плат расширения (рисунок 3.6). Элементами платы являются интегральные микросхемы, соединенные проводящими линиями (шиной) между собой и с портами (разъемами для подключения внешних устройств).
Рисунок 3.6 – Устройство материнской платы
Основные элементы материнской платы, определяющие производительность компьютера, — это процессор и оперативная память.
Процессор — функционально законченное программно-управляемое устройство обработки информации (рисунок 3.7), выполненное в виде одной (или нескольких) сверхбольшой интегральной схемы (размером в несколько сантиметров), «кристалл» из слоев полупроводника, чрезвычайно плотно насыщенных электронными элементами
(несколько десятков миллионов микротранзисторов и переключателей).
Рисунок 3.7 - Процессор
На процессорном кристалле расположены:
• процессор — главное вычислительное устройство, осуществляющее арифметические и логические операции над данными;

42
• сопроцессор — специальный блок для операций с «плавающей запятой», который применяется для особо точных и сложных расчетов, а также для работы с графическими программами;
• кеш-память первого уровня — сверхбыстрая память для хранения промежуточных результатов вычислений;
• кеш-память второго уровня.
Центральный процессор — основное рабочее устройство в компьютере, которое выполняет заданные программами вычислительные и логические преобразования данных, координирует работу всех устройств компьютера. Выполняя операции «под руководством» программ, процессор размещает программы и данные в памяти, посылает сигналы управления, обменивается данными с другими внутренними и внешними устройствами компьютера.
Центральный процессор персонального компьютера (микропроцессор) определяет поколение, производительность компьютера: от процессора во многом зависит быстродействие, количество операций в секунду. Микропроцессоры отличаются и задачами, под которые оптимизирована схема.
К основным характеристикам микропроцессора относятся:
• система команд;
• степень интеграции;
• разрядность обрабатываемых данных;
• тактовая частота;
• размер кеш-памяти (внутренней памяти).

43 выполняющихся параллельно. Каждая группа образует одну сверхдлинную команду.
Отличается от суперскалярных процессоров тем, что отбор команд осуществляется заранее, а не в ходе выполнения прикладной программы, что усложняет структуру супер- скалярного процессора и замедляет его работу. Технология VLIW позволяет, с одной стороны, в течение одного такта выполнить группу коротких (обычных) команд, а с другой — упростить структуру процессора. Большинство мультимедийных процессоров с производительностью более 1 млрд операций в секунду базируется на VLIW- архитектуре.
5.
Многоядерные процессоры. Содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (на одном или нескольких кристаллах). Предназначенные для работы одной копии операционной системы на нескольких ядрах представляют собой высокоинтегрированную реализацию мультипроцессорности. На данный момент массово доступны двух-, четырех- и шестиядерные процессоры (Intel Core, Celeron, Xeon, Itanium,
AMD Phenom X4 и др.).
Степень интеграции микросхемы процессора показыва- ет, какое число транзисторов на ней умещается. Процессоры первых персональных ЭВМ содержали около 30 тыс. транзисторов, в современных процессорах размещается свыше миллиарда транзисторов.
Разрядность процессора определяется количеством бит данных, которые он может одномоментно принять на обработку. Первые процессоры Intel для персональных компьютеров были 16-разрядными, т.е. могли принимать и передавать данные группами по 16 бит (по 2 байта). Для сложения двоичных чисел длиной 32 бита такому процессору приходилось выполнять в два раза больше команд. Большинство микропроцессоров современных ПК 64-разрядные.
Тактовая частота. Скорость выполнения команд связана с тактовой частотой.
Генератор тактовой частоты (ГТЧ) — электронное устройство на материнской плате, которое генерирует импульсные сигналы, определяющие согласованный темп и временные интервалы выполнения процессором операций, работы других устройств. В генераторе тактовой частоты применяется кристалл кварца (по типу используемого в электронных часах), придающий работе генератора высокую стабильность. Частота тактовых импульсов генератора в современных ПК составляет несколько ГГц.
Время, затрачиваемое на одну операцию, например, передачу данных от одной части системы к другой, занимает несколько тактов машины и называется машинным циклом. Чем выше частота тактов, тем больше команд может выполнить процессор за секунду. Чем совершеннее процессор, тем меньше тактов требуется для выполнения одной операции.
Тактовая частота — важная характеристика быстродействия, но не единственный показатель производительности компьютера. Хотя импульсы тактовой частоты задают процессору ритм вычисления, быстродействие не прямо пропорционально этой частоте. На быстродействие влияют тип процессора, виды обрабатываемых процессором команд, объем оперативной памяти, характеристики линии связи между устройствами — шины передачи данных.
Более совершенные процессоры выполняют за машинный цикл не одну, а несколько команд. Разрядность микропроцессора — возможность обработки цифровых сообщений разной длины (но не превышающей разрядность). Компьютер с 64-разрядным процессором работает быстрее 32-разрядного. Поэтому нет простых соотношений между продолжительностью временного цикла, разрядностью шины и миллионами команд
(инструкций), обрабатываемых в секунду. Если просто увеличить от заданной тактовую частоту генератора (выполнить «разгон» процессора), не меняя устройств компьютера, то скорость выполнения вычислений не обязательно увеличится на столько же. В то же время «учащение сердцебиения» ведет к перегреву процессора, нарушению временной синхронизации работы устройств ПК, т.е. сбоям и неустойчивой работе.
В современных ПК несколько тактовых генераторов, работающих синхронно на

44 разных частотах. Частота системы ПК определяется частотой системной шины, а тактовые частоты остальных компонентов компьютера кратны ей.
Кеш-память (англ. cash — тайник) — промежуточная «сверхоперативная» память для обмена данными между двумя устройствами, работающими с разной скоростью, с разной тактовой частотой. Регистровая кеш-память обменивается данными с быстродействующим устройством часто и быстро, а со сравнительно медленным устройством — реже и медленнее. Кеш дает выгоду в быстродействии, когда данные требуются быстродействующему устройству несколько раз за короткий интервал времени, а давно не востребованные данные из кеш-памяти заменяются на более актуальные.
Современные процессоры имеют в своей схеме (на одном кристалле) два уровня кеш-памяти, позволяющие процессору увеличить производительность и иметь тактовую частоту в несколько раз выше, чем частота остальной части компьютерной системы.
Часть обрабатываемых данных и кодов процессор хранит в своей кеш-памяти, имеющей не только большую скорость предоставления данных, но и возможность хранения команд и данных, которые вот-вот потребуются.
В процессоре есть центральная часть — ядро процессора, функционирующее с частотой в несколько раз более высокой, чем частота работы остальных устройств.
Встроенный в процессор кеш 1-го уровня (внутренние блоки памяти) работает на частоте ядра процессора и выполняет более одной команды за один цикл связи с обычной оперативной памятью. Частота работы ядра процессора 2 ГГц соответствует 2 млрд импульсов тактового генератора в секунду. Обмен процессора данными с оперативной памятью происходит по шине заметно реже, например, с частотой 833 МГц.
Память — способность компьютера обеспечивать хранение данных в запоминающих устройствах. Функции памяти: прием информации от других устройств, запоминание, выдача информации другим устройствам компьютера.
В компьютере несколько видов памяти и запоминающих устройств, отличающихся емкостью памяти, временем хранения, методом и скоростью доступа к данным, избирательностью выдачи данных, надежностью работы (рисунок 3.8.).
Рисунок 3.8 – Виды памяти ПК
Для персонального компьютера самая быстрая — внутренняя (первичная) память
(взаимодействующая с процессором) имеет несколько уровней:
• постоянную (только читаемую) память, в которой хранятся программы, необходимые для запуска компьютера;
• оперативную память для хранения обновляемых данных;
Внешняя память (вторичная) более медленная, но и более вместительная — жесткие диски, сменные накопители и носители (магнитные ленты, дисководы, компакт- диски CD и DVD, флеш-карты).
Работа компьютера после включения начинается только при условии, что процессор получит из памяти данные и программы для обработки. Сразу «после пробуждения» процессору необходимы инициирующие команды и данные, которые сохраняются при отключении питания и предоставляются процессору при включении.