94. Функционально-структурная организация ПЭВМ
Под архитектурой компьютера понимается его логическая
организация, структура и ресурсы, т.е. средства вычислительной системы, которые
могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени.
Архитектурой компьютера называется совокупность
устройств, входящих в его состав, а также принципы соединения данных устройств
между собой, обеспечивающие их взаимосвязь (принципы сопряжения).
Структура компьютера -
это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия
входящих в нее компонентов.
Персональный компьютер - это настольная или
переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности
применения
Персональный компьютер (англ. PC). Техническое
средство (ЭВМ), предназначенное для индивидуального использования с целью
автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и
информационных задач, средство коммуникации с помощью телекоммуникационных
сетей.
Назначение основных блоков ПК:
Микропроцессор (МП). Это
центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и
для выполнения арифметических и логических операции над информацией.
Микропроцессор служит для обработки информации - осуществление
арифметических и логических операций. Его работа состоит в считывания из памяти
кодов команд, их расшифровки и выполнения.
В состав микропроцессора входят:
·
устройство управления (УУ) - формирует и подает во все блоки
машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие
импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами
предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой
операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; опорную
последовательность импульсов устройство управления получает от генератора
тактовых импульсов;
·
арифметико-логическое устройство (АЛУ) - предназначено для выполнения
всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией
(в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается
дополнительный математический сопроцессор);
·
микропроцессорная память (МПП) - служит для кратковременного
хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях
в ближайшие такты работы машины. МПП строится на регистрах и используется для
обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда
обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для
эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Регистры -
быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих
стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие);
· интерфейсная система
микропроцессора - реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК;
включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы
управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной.
Основная память (ОП). Она
предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками
машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее
устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной)
программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать
хранящуюся в нем информацию (изменить информацию в ПЗУ нельзя).
ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и
считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в
информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени.
Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и
возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к
ячейке), В качестве недостатка ОЗУ следует отметить невозможность сохранения
информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость).
Внешняя память. Она
относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения
любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В
частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера.
Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, но наиболее
распространенными, имеющимися практически на любом компьютере, являются
накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках.
Генератор тактовых импульсов. Он генерирует
последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов
определяет тактовую частоту машины. Промежуток времени между соседними
импульсами определяет время одного такта работы машины или просто
такт работы машины.
Частота генератора тактовых импульсов является одной из
основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость
его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество
тактов.
Системная шина.
Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь
всех его устройств между собой.
Системная шина включает в себя:
• кодовую шину
данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной
передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;
• кодовую шину
адреса (КША), включающую провода и схемы сопряжения для параллельной
передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода
внешнего устройства;
• кодовую шину
инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи
инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины;
• шину питания,
имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе
энергопитания.
Материнская плата- это сердце ПК. Она служит
своего рода командным центром, координирующим действия других элементов системы.
Она обеспечивает связь всех компонентов компьютера.
Матери́нская пла́та – это сложная многослойная
печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты
персонального компьютера (центральный процессор, контроллер ОЗУ и собственно
ОЗУ,
загрузочное ПЗУ, контроллеры базовых интерфейсов ввода-вывода). Как правило,
материнская плата содержит разъёмы (слоты) для подключения дополнительных
контроллеров, для подключения которых обычно используются шины
USB,
PCI и
PCI-Express.
Контроллеры, адаптеры. После материнской платы,
блока питания и внешней периферии остается только одна, но важная вещь – платы
расширения. За исключением плат памяти (в большинстве современных компьютеров
они не используются) в компьютерах установлены платы расширения, называемые
контроллерами (controllers).
Все периферийные устройства, независимо от того, являются ли
они внутренними или внешними, должны общаться друг с другом или с компьютером.
Их называют "контроллерами", "портами", "интерфейсами", "адаптерами". Например
жесткому диску необходим контроллер жесткого диска, клавиатуре необходим
контроллер клавиатуры, дисплею необходим видеоадаптер (контроллер).
Главное назначение контроллеров заключается в следующем:
• разделить
оборудование и программное обеспечение и при этом обеспечить соответствие широко
известным промышленным стандартам;
• ускорение
передачи соответствующих данных между периферией и процессором;
• преобразование
данных из формата процессора к формату, используемому периферийным
устройством, а также для усиления сигналов циркулирующих между процессором и
периферией.
Обычно в системе установлен контроллер клавиатуры,
видеоконтроллер, контроллеры для дисководов и жестких дисков, контроллеры сетей,
мыши, параллельный и последовательный порты.
Адаптер - это устройство, которое обеспечивает связь
между центральной частью ЭВМ и конкретным внешним устройством, например между
оперативной памятью и принтером или винчестерским диском.
Источник питания. Это блок, содержащий системы
автономного и сетевого энергопитания ПК.
Основное назначение — снабжать питанием все жизненно
необходимые узлы и составные блоки системного модуля: процессор, память,
винчестер, дисководы. Качество его функционирования в значительной степени
определяет работу компьютера.
Таймер. Это внутримашинные
электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего
момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер
подключается к автономному источнику питания - аккумулятору и при отключении
машины от сети продолжает работать.
Внешние устройства (ВУ).
Обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой; пользователями,
объектами управления и другими ЭВМ. ВУ весьма разнообразны и могут быть
классифицированы по ряду признаков. Так, по назначению можно выделить следующие
виды ВУ:
• внешние
запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК;
• диалоговые
средства пользователя;
• устройства ввода
информации;
• устройства вывода
информации;
• средства связи и
телекоммуникации.
Основными функциональными характеристиками ПК являются:
1. Производительность, быстродействие, тактовая частота.
2. Разрядность микропроцессора и кодовых шин интерфейса.
3. Типы системного и локальных интерфейсов.
4. Тип и емкость оперативной памяти. •
5. Тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках.
6. Емкость накопителя на жестких магнитных дисках
(≪винчестера≫).
7. Наличие, виды и емкость кэш-памяти.
8. Тип видеомонитора (дисплея) и видеоадаптера.
9. Наличие и тип принтера.
10. Наличие и тип накопителя CD ROM.
11. Наличие и тип модема.
12. Наличие и виды мультимедийных аудио-видео средств.
13. Имеющееся программное обеспечение и вид операционной
системы.
14. Аппаратная и программная совместимость с другими типами
компьютеров.
15. Возможность работы в вычислительной сети.
16. Возможность работы в многозадачном режиме.
17. Надежность.
18. Стоимость.
19. Габариты и вес.
Некоторые из приведенных функциональных характеристик
нуждаются в пояснении, поэтому остановимся на них подробнее
Быстродействие компьютеров определяется числом
операций, выполняемых процессором за одну секунду. Основной функцией
процессоров является автоматическое управление работой ЭВМ с помощью программ,
размещаемых в оперативной памяти.
Производительность компьютера - показатель его
эффективного быстродействия, то есть способности не просто быстро
функционировать, а быстро решать конкретные поставленные задачи, определяется не
только характеристиками применяемого микропроцессора, но и ёмкостью оперативной
памяти, типами периферийных устройств, качеством конструктивных решений и др.
Тактовая частота, для характеристики ПК
вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более
объективно определяющую быстродействие машины, так как каждая операция
требует для своего выполнения вполне определенного количества тактов. Зная
тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой
машинной операции.
Разрядность машины и кодовых шин интерфейса,
Разрядность - это максимальное количество разрядов
двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в
том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при
прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК.
Разрядность МП определяется иногда по разрядности его
регистров и кодовой шины данных, а иногда по разрядности кодовых шин адреса.
Типы системного и локальных интерфейсов,
Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи
информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних
устройств и различные их виды
Емкость оперативной памяти измеряется чаще всего
в мегабайтах (Мбайт), реже в килобайтах (Кбайт). Напоминаем: 1 Мбайт = 1024
Кбайта = 10242 байт.
Емкость накопителя на жестких магнитных
дисках,
Емкость НЖМД измеряется обычно в гигабайтах, 1 Гбайт = 1024
Мбайт.
Объем дисковой памяти 10 Гбайт сегодня еще приемлем, но, по
прогнозам специалистов, новые программные продукты будут требовать несколько
гигабайтов внешней памяти
Виды и емкость КЭШ-памяти,
Кэш-память – это буферная, недоступная для пользователя
быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения
операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих
устройствах. Например, для ускорения операций с основной памятью организуется
регистровая кэш-память внутри микропроцессора (кэш-память первого уровня) или
вне микропроцессора на материнской плате (кэш-память второго уровня); для
ускорения операций с дисковой памятью организуется кэш-память на ячейках
электронной памяти.
Математический сопроцессор широко используется
для ускоренного выполнения операций над двоичными числами с фиксированной и
плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для вычисления
некоторых трансцендентных, в том числе тригонометрических функций.
Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно (совмещенно
во времени) с основным МП, но под управлением последнего. Ускорение операций
происходит в десятки раз. Современные модели МП, начиная с МП 80486 DX, включают
сопроцессор в свою структуру.
Аппаратная и программная совместимость с другими
типами компьютеров означает возможность использования на компьютере,
соответственно, тех же технических элементов и программного обеспечения, что и
на других типах машин.