Файл: Архитектура современных компьютеров..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 об архитектуре компьютера и его отдельных составляющих. Только полное знание архитектуры персонального компьютера и его компонентов может позволить без опасений совершать любые манипуляции с аппаратной составляющей компьютера любому пользователю.

В данной работе рассмотрены классификации ЭВМ, выделены классификации по быстродействию и производительности, по назначению, по уровню специализации, по типу используемого процессора, по особенностям архитектуры и по размерам. Отдельное внимание уделено классификации по мощности и габаритам, в которой выделен персональный компьютер, рассмотренный в работе. У персональных компьютеров была рассмотрена архитектура Фон Неймана с выделением шести основных типов устройств, среди которых управляющее устройство, арифметико-логическое устройство, оперативное запоминающее устройство, внешнее запоминающее устройство и устройства вывода и ввода.

Также рассмотрены способы подключения устройств к компьютеру, отдельно выделены контроллеры и системная магистраль, также называемая шиной.

Во второй части работы рассмотрены устройства, составляющие системный блок: материнская плата, процессорное устройство, видеокарта, жесткий диск и оперативная память.

Также рассмотрены обязательные периферийные устройства, среди которых монитор, компьютерная мышь и клавиатура.

Объектом исследования является общее устройство ЭВМ с его архитектурой, предметом исследования являются основные устройства персонального компьютера.

Целью данной работы является структуризация знаний об архитектуре персонального компьютера с анализом его основных компонентов.

Задачами данной работы являются:

• классификация основных видов ЭВМ по габаритам и вычислительной мощности;
• обзор архитектуры персонального компьютера с выделением основных элементов;
• изучение структурной схемы персонального компьютера, отдельное выделение контроллеров и системной магистрали;
• рассмотрение основных устройств персонального компьютера;
• приведение конкретных примеров устройств.

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. Также в работе были использованы популярные книги по архитектуре ЭВМ таких авторов, как М. Жуховцев и Н. Максимов.

1. Общее устройство компьютера

1.1. Классификация ЭВМ

Компьютер является устройством или средством, которое предназначено для обработки информации. Компьютер обрабатывает информацию, которая представлена только в числовой форме. Информацию в другой форме представления необходимо преобразовать в числовую форму с целью ввода в компьютер^[1].

Перед современными компьютерами развивались нескольких поколений электронно-вычислительных машин. В их развитии выделяют пять основных поколений^[2].

В основу классификации заложена элементная база построения электронно-вычислительные машин:

1. Первое поколение базировалось на электронных лампах и было создано в 1943 году.
2. Второе поколение развивалось в 50 – 60 годах и было построено на базе транзисторов.
3. Третье поколение развивалось в 60 – 70 годах и было построено на базе интегральных схем малой и средней интеграции.
4. Четвертое поколение развивалось с 70 годов и по наше время и было построено на базе больших интегральных схем.
5. На сегодняшний день ведутся работы по проектированию устройств пятого поколения, разрабатываемых на сверхбольших интегральных схемах^[3].

Также существуют другие классификации ЭВМ в зависимости от различных признаков. В качестве примеров самых распространенных классификаций можно привести:

• классификация по быстродействию и производительности;
• классификация по назначению;
• классификация по уровню специализации;
• классификация по типу используемого процессора;
• классификация по особенностям архитектуры;
• классификация по размерам^[4].

Рассмотрим классификацию электронно-вычислительных машин по критериям габаритов и вычислительной мощности^[5]. Схема данной классификации представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема классификации электронно-вычислительных машин по критериям габаритов и вычислительной мощности

Самыми мощными по производительности и быстродействию считаются суперкомпьютеры. К суперЭВМ относят Американские компьютеры «IBM SP2» и «Cray». Суперкомпьютеры обычно используют для решения и моделирования крупномасштабных вычислительных задач, в таких сферах, как метеорология, аэродинамика, финансовая сфера и физика высоких энергий^[6].

Мейнфреймы или большие ЭВМ используют в таких сферах, как финансовая, оборонные комплексы, а также комплектование региональных, территориальных и ведомственных центров.

Средние машины широкого назначения используют для управления сложными технологическими производственными процессами.

Мини-ЭВМ используют как управляющие вычислительные комплексы, и сетевые сервера.

Микро-ЭВМ являются компьютерами с использованием микропроцессора в качестве центрального процессора. Помимо прочего к микро-ЭВМ относятся персональные компьютеры^[7].

На сегодняшний день персональные компьютеры обладают характеристиками, схожими с мини-ЭВМ 25-летней давности. Персональные компьютеры подразделяются на настольные и переносные. К переносным относятся смартфоны и другие подобные карманные персональные компьютеры^[8] [8, 10, 12].

1.2. Архитектура компьютера

Структура архитектуры 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^[9].

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^[10]. Схема данной структуры представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Схема классификации электронно-вычислительных машин по критериям габаритов и вычислительной мощности

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^[11].
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^[12].

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^[13].

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^[14].

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^[15].

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^[16].

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^[17] [8, 10, 12].

1.3. 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 расположеных на ней. Соединение всех устройств в единую систему обеспечивается с помощью системной магистрали, которая представляет собой линии передачи управления, адресов и данных^[18].

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^[19] [6, 8, 10].

Схема подключения внешних устройств через системную магистраль представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Схема подключения внешних устройств через системную магистраль

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^[20].

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.