Архитектура ПК. 2

Введение

     Создание  персонального компьютера (ПК) можно  отнести к одному из самых значительных изобретений XX века. ПК существенно изменил роль и значение вычислительной техники в жизни человека.

     Компьютер (англ. computer — вычислитель) представляет собой программируемое электронное  устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами. Определение  «персональный» возникло потому, что  человек получил возможность общаться с ПК самостоятельно (персонально) без посредничества профессионала- программиста.

Персональные  компьютеры используются сейчас повсеместно. Их основное назначение- выполнение рутинной работы: поиск информации, составление  типовых форм документации, фиксация результатов исследования, подготовка текстов разного и пр.

     Общедоступность и универсальность персонального  компьютера обеспечивается за счет наличия  следующих характеристик:

·«дружественность»  интерфейса взаимодействия человека с  компьютером, что позволяет работать на нем без специальной подготовки в компьютерной области;

·небольшие  габариты и отсутствие специальных  требований к условиям окружающей среды;

·открытость архитектуры;

·большое  количество программных средств;

·совместимость  новых  версий и моделей;

·высокая  надежность работы.

     Цель  данной курсовой – изучение архитектуры  современного персонального компьютера и ее функций. Основными задачами курсовой являются рассмотрение основных компонентов архитектуры современного ПК, их предназначения, функционирования во всей системе, их взаимосвязи и  взаимодействия, обеспечивающих эффективную  работу ПК.

1. Теоретическая часть 

1.1. Структура и архитектура ПК

     В основу построения большинства ПК положены принципы, сформулированные в 1945 г. Джоном фон Нейманом:

1. Принцип программного управления (программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определённой последовательности).

2. Принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными).

3. Принцип адресности (основная память структурно состоит из нумерованных  ячеек).

ПК, построенные на этих принципах, имеют классическую архитектуру (архитектуру фон Неймана)[8].

     Структура компьютера – это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов. (Рис. 1.)

     Рис. 1.  Структурная схема ПК

    Архитектура компьютера обычно определяется совокупностью ее свойств, существенных для пользователя. Основное внимание при этом уделяется структуре и функциональным возможностям машины, которые можно разделить на основные и дополнительные.

     Основные функции определяют назначение ПК: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами. Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций: обеспечивают эффективные режимы ее работы, диалог с пользователем, высокую надежность и др. Названные функции ПК реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных средств. Любая компьютерная программа представляет собой последовательность отдельных команд. Команда – это описание операции, которую должен выполнить компьютер. Совокупность команд, выполняемых данным компьютером, называется системой команд этого компьютера.

    Структура компьютера - это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.

    ПК-это настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения.

    Достоинствами ПК являются:

    - малая стоимость, находящаяся  в пределах доступности для  индивидуального покупателя;

    -  автономность эксплуатации без  специальных требований к условиям  окружающей среды;

    - гибкость архитектуры, обеспечивающая  ее адаптивность к разнообразным  применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;

    -  "дружественность" операционной  системы и прочего программного  обеспечения, обусловливающая возможность работы с ней пользователя без специальной профессиональной подготовки;

    -   высокая надежность работы[4].

1.2. Основные блоки ПК и их значение

    Микропроцессор (МП) - это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

    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 характера, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессор. 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[2].

Интерфейс (interface)- совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. Генератор тактовых импульсов - 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.

    Системная шина - 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.

Системная шина обеспечивает три направления  передачи информации:

    -  между микропроцессором и основной  памятью; 

    - между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

    -  между основной памятью и портами  ввода-вывода внешних устройств  (в режиме прямого доступа к памяти).

    Не  блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные  разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шины осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему- контроллер шины, формирующий основные сигналы управления.

    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 отменить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость)[1].

    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 (HDD) и гибких (HD) магнитных дисках.

    Назначение  этих накопителей - 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  магнитной дискете, накопители на оптических дисках (CD-ROM-Compact Disk Read Only, DVD, Memory-компакт-диск с памятью, только читаемой) и др.

    Внешние устройства (ВУ). Это важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса. Достаточно сказать, что по стоимости ВУ иногда составляют 50-80% всего ПК. ОТ состава и характеристик ВУ во многом зависят возможность и эффективность применения ПК в системах управления и в народном хозяйстве в целом. ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой пользователями, объектами управления и другими ПК. ВУ классифицируются 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[1].

     Диалоговые  средства пользователя включают в свой состав дисплеи, реже принтеры,  клавиатуру и устройства речевого ввода-вывода информации.

     Видеомонитор (дисплей) - устройство для отображения  вводимой и выводимой из ПК информации.

Устройства  речевого ввода-вывода относятся к  средствам мультимедиа. Устройства речевого ввода - это различные микрофонные  акустические системы, "звуковые мыши", например, со сложным программным  обеспечением, позволяющим распознавать произносимые человеком буквы и  слова, идентифицировать их и закодировать.

Устройства  речевого вывода - это различные  синтезаторы звука, выполняющие  преобразования цифровых кодов в  буквы и слова, воспроизводимые  через динамики или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру.

     К устройствам ввода информации относятся:

Клавиатура - устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК;

Графические планшеты (диджитайзеры) - для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера);

Сканеры - для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей; в устройстве кодирования сканера в текстовом режиме считанные символы после сравнения с эталонными контурами специальными программами преобразуются в коды ASCII, а в графическом режиме считанные графики и чертежи преобразуются в последовательности двухмерных координат;

Манипуляторы (устройства указания): джойстик- рычаг, мышь, трекбол-шар в оправе, световое перо и др. - для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК.

     К устройствам вывода информации относятся:

Принтеры. Все печатающие устройства можно подразделить на последовательные, строчные и страничные. По используемой технологии печати различают матричные, струйные, лазерные принтеры. графопостроители (плоттеры) - для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель; плоттеры бывают векторные с вычерчиванием изображения с помощью пера и растровые: термографические, электростатические, струйные и лазерные. По конструкции плоттеры подразделяются на планшетные и барабанные.

Устройства  связи и телекоммуникации.

Для связи  с приборами и другими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи и т.п.) и для  подключения ПК к каналам связи, к другим ПК и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы, "стыки", мультиплексоры передачи данных, модемы).

В частности  сетевой адаптер является внешним  интерфейсом ПК и служит для подключения  его к каналу связи для обмена информацией с другими ПК, для работы в составе вычислительной сети. В глобальных сетях функции сетевого адаптера выполняет модулятор- демодулятор.

Многие  из названных выше устройств относятся  к условно выделенной группе - средствам  мультимедиа.

Средства  мультимедиа (multimedia- многосредовость) - это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и др.

К средствам  мультимедиа относятся устройства речевого ввода и вывода информации; широко распространенные уже сейчас сканеры (поскольку они позволяют  автоматически вводить в компьютер  печатные тексты и рисунки); высококачественные видео- (video-) и звуковые (sound-) платы, платы  видеозахвата (videograbber), снимающие изображение  с видеомагнитофона или видеокамеры  и вводящие его в ПК; высококачественные акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми  колонками, большими видеоэкранами[5].  

1.3. Функциональные устройства ПК

    Основными характеристиками  ПК являются:

1.Быстродействие, производительность, тактовая частота.

Единицами измерения быстродействия служат:

·МИПС (MIPC -Vega Instruction Per Second)- миллион операций над числами с фиксированной  запятой (точкой):

·МФЛОПС (MFLOPS- Mega Floating Operations Second)- миллион операций над числами с плавающей запятой (точкой);

·КОПС (KOPS- Kilo Operations Per Second)-для низкопроизводительных  ЭВМ - тысяча неких усредненных операций над числами;

·ГФЛОПС (GFLOPS - Gigа Floating Operations Per Second) -миллиард операций в секунду над числами с  плавающей запятой (точкой)[9].

Оценка  производительности ПК всегда приблизительная, ибо при этом ориентируются на некоторые усредненные или, наоборот, на конкретные виды операций. Реально при решении различных задач используются и различные наборы операций. Поэтому для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины. И так как каждая операция требует для своего выполнения вполне определенного количество тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции.

2. 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.

3. Типы системного  и локальных интерфейсов. 

Разные  типы интерфейсов обеспечивают разные сроки передачи информации между  узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств  и различные их виды.

4. Емкость оперативной  памяти.

Емкость оперативной памяти измеряется чаще всего в мегабайтах (Мбайт). Напоминаем: 1 Мбайт = 1024 Кбайта = 1024 байт. Многие современные прикладные программы при оперативной памяти емкостью меньше 32 Мбайл просто не работают, либо работают, но очень медленно. Следует иметь в виду, что увеличение емкости основной памяти в два раза, помимо всего прочего, дает повышение эффективной производительности ЭВМ при решении сложных задач примерно в 1,7 раза[7].

5. Емкость накопителя  на жестких магнитных  дисках (винчестера). Емкость винчестера измеряется обычно в мегабайтах или гигабайтах (1 Гбайт = 1024 Мбайта).

6. Тип и емкость  накопителей на  гибких магнитных  дисках и лазерных  компакт дисков.

Сейчас  применяются накопители на гибких магнитных  дисках, использующие дискеты размером 3,5 и 5,25 дюйма (практически уже не применяются) (1 дюйм = 25,4 мм). Первые имеют  стандартную емкость 1,44 Мбайта, вторые 1,2 Мбайта. Также применяются накопители на компакт дисках в связи с  их низкой стоимостью и большой емкостью, размером 650 и 700 Мb, применяются лазерные перезаписываемые диски CD-RW емкостью 650 – 700 Mb. Применяются и такой тип  накопителя как DVD. Высокие технологии и высокая стоимость, но и большая  емкость до 24 Gb.

7. Виды и емкость  КЭШ-памяти.

КЭШ-память - это буферная, недоступная для  пользователей 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 ячейка электронной  памяти.

Следует иметь в виду, что наличие КЭШ-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность ПК примерно на 20%. Встречается емкость  КЭШ-памяти и 512 Кбайт.

8. Тип видеомонитора  (дисплея) и видеоадаптера.

9. Тип принтера.

10. Наличие математического  сопроцессора.

Математический  сопроцессор позволяет в десятки  раз ускорить выполнение операций над  двоичными числами с плавающей  запятой и над двоично-кодированными  десятичными числами.

11. Имеющееся программное  обеспечение и  вид операционной  системы.

12. Аппаратная и программная  совместимость с  другими типами  ЭВМ.

Аппаратная  и программная совместимость  с другими типами ЭВМ означает возможность использования на компьютере соответственно тех же технических  элементов и программного обеспечения, что и на других типах машин.

13. Возможность работы  в вычислительной  сети.

14. Возможность работы  в многозадачном  режиме.

Многозадачный режим позволяет выполнять вычисления одновременно по нескольким программам (многопрограммный режим) или для  нескольких пользователей (многопользовательский  режим). Совмещение во времени работы нескольких устройств машины, возможное  в таком режиме, позволяет значительно  увеличить эффективное быстродействие ЭВМ.

15. Надежность.

Надежность - это способность системы выполнять  полностью и правильно все  заданные ей функции. Надежность ПК измеряется обычно средним временем наработки  на отказ.

16.Стоимость.

17. Габариты и масса[3]. 

1.4. Запоминающие устройства ПК

    Память  компьютера построена из двоичных запоминающих элементов — битов, объединенных в группы по 8 битов, которые называются байтами. (Единицы измерения памяти совпадают с единицами измерения информации). Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.

    Байты могут объединяться в ячейки, которые  называются также словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова — два, четыре или восемь байтов. Это не исключает использования ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово).

    Как правило, в одном машинном слове  может быть представлено либо одно целое число, либо одна команда. Однако, допускаются переменные форматы представления информации.

    Разбиение памяти на слова для четырехбайтовых  компьютеров представлено в таблице:

    Широко  используются и более крупные  производные единицы объема памяти: Килобайт, Мегабайт, Гигабайт, а также, в последнее время, Терабайт и Петабайт.

    Современные компьютеры имеют много разнообразных  запоминающих устройств, которые сильно отличаются между собой по назначению, временным характеристикам, объёму хранимой информации и стоимости хранения одинакового объёма информации[6].

    Различают два основных вида памяти — внутреннюю и внешнюю. 

1.4.1. Внутренняя память

    В состав внутренней памяти входят оперативная  память, кэш-память и специальная  память.

    Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory — память с произвольным доступом) — это быстрое запоминающее устройство не очень большого объёма, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами

    Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, так  как, когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой — это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.

    Каждый  информационный бит в DRAM запоминается в виде электрического заряда крохотного конденсатора, образованного в структуре полупроводникового кристалла. Из-за токов утечки такие конденсаторы быстро разряжаются, и их периодически (примерно каждые 2 миллисекунды) подзаряжают специальные устройства. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh Memory).