ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ  РФ

    УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

    Кафедра информационных технологий 
 
 
 
 
 

    Реферат на тему: Архитектура  персонального компьютера 
 
 
 

    Студент:  Харламов Д. А.

                                        Шифр: 90108

        Специальность: 250401

                                                                          Срок обучения: 5л. 10 мес.

      Курс: 3 
 
 
 
 
 

    Екатеринбург 2011 г.

Оглавление 

ВВЕДЕНИЕ 3

1. КОМПЬЮТЕР И ИХ  ВИДЫ 4

2. ВНЕШНЯЯ  АРХИТЕКТУРА  ПК 7

3. ВНУТРЕНЯЯ АРХИТЕКТУРА  ПК 11

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 21

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ 22 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    ВВЕДЕНИЕ

    Архитектура компьютера — логическая организация  и структура аппаратных и программных  ресурсов вычислительной системы. Архитектура  заключает в себе требования к  функциональности и принципы организации  основных узлов ЭВМ.

    В настоящее время наибольшее распространение  в ЭВМ получили 2 типа архитектуры: принстонская (фон Неймана) и гарвардская. Обе они выделяют 2 основных узла ЭВМ: центральный процессор и  память компьютера. Различие заключается  в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская  архитектура предусматривает отдельные  хранилища и потоки передачи для  команд и данных.

    В более подробное описание, определяющее конкретную архитектуру, также входят: структурная схема ЭВМ, средства и способы доступа к элементам  этой структурной схемы, организация  и разрядность интерфейсов ЭВМ, набор и доступность регистров, организация памяти и способы  её адресации, набор и формат машинных команд процессора, способы представления  и форматы данных, правила обработки  прерываний.

    По  перечисленным признакам и их сочетаниям среди архитектур выделяют:

    По  разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-, 86-разрядные (ряд ЭВМ  имеет и иные разрядности);

    По  особенностям набора регистров, формата  команд и данных: CISC, RISC, VLIW;

    По  количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные. 

    1. КОМПЬЮТЕР И ИХ  ВИДЫ

    Компьютер (англ. computer — «вычислитель»), (рис.1) — электронная вычислительная машина (ЭВМ) — вычислительная машина, предназначенная  для передачи, хранения и обработки  информации.

    Термин  «компьютер» и аббревиатура «ЭВМ», принятая в СССР, являются синонимами. В настоящее время словосочетание «электронная вычислительная машина»  вытеснено из бытового употребления. Аббревиатуру «ЭВМ» в основном используют как правовой термин в юридических  документах, а также в историческом смысле — для обозначения компьютерной техники 1940-80-х годов. Также «ЦВМ» - «цифровая вычислительная машина».

    При помощи вычислений компьютер способен обрабатывать информацию по определённому  алгоритму. Любая задача для компьютера является последовательностью вычислений.

    Персональный  компьютер (англ. personal computer), персональная ЭВМ— компьютер, предназначенный для  личного использования, цена, размеры  и возможности которого удовлетворяют  запросам большого количества людей. Созданный  как вычислительная машина, компьютер, тем не менее, всё чаще используется как инструмент доступа в компьютерные сети.

    В употребление термин был введён в  конце 1970-х годов компанией Apple Computer для своего компьютера Apple II и впоследствии перенесён на компьютеры IBM PC. Некоторое  время персональным компьютером  называли любую машину, использующую процессоры Intel и работающую под  управлением операционных систем DOS, OS/2 и первых версий Microsoft Windows. С появлением других процессоров, поддерживающих работу перечисленных программ, таких, как AMD, Cyrix (ныне VIA), название стало иметь  более широкую трактовку. Курьёзным  фактом стало противопоставление «персональным  компьютерам» вычислительных машин Amiga и Macintosh, долгое время использовавших альтернативную компьютерную архитектуру.

    В настоящее время существует несколько  видов персональных компьютеров, самые  распространенные из них — так  называемые IBM-совместимые и серии Macintosh, или Мае. Компьютеры Мае имеют  свое программное обеспечение и стандарты для устройств, поэтому несовместимы с IBM-компьютерами. В силу большого распространения IBM-совместимых компьютеров обычно именно их и имеют в виду, говоря о персональных компьютерах, а то и просто компьютерах. В нашей книге речь пойдет именно о IBM-совместимых, которые, как и на практике, будут называться «компьютер» или «персональный компьютер». Другие виды компьютеров рассматриваться не будут, так как они требуют отдельного описания. Кроме этого, персональные компьютеры подразделяются на стационарные и переносные (к примеру, ноутбуки). В отличие от стационарных, переносные компьютеры имеют встроенную аккумуляторную батарею для работы в автономном режиме. Теперь рассмотрим основные составные части персонального компьютера: системный блок; дисплей; клавиатура; мышь с ковриком; колонки. Кроме того, могут быть другие, менее часто встречающиеся внешние устройства, такие как сканер, внешний модем, внешние жесткие диски, плоттер и пр.

    Устройства  персонального компьютера подразделяются на внутренние, находящиеся внутри системного блока, и внешние, подключаемые к системному блоку через информационные кабели (или передаваемые необходимые  данные, например с помощью инфракрасного  излучения).

    Ноутбук (англ. notebook — блокнот, блокнотный ПК) — портативный персональный компьютер, в корпусе которого объединены типичные компоненты ПК, включая дисплей, клавиатуру и устройство указания (обычно сенсорная  панель или тачпад), а также аккумуляторные батареи. Ноутбуки отличаются небольшими размерами и весом, время автономной работы ноутбуков изменяется в пределах от 1 до 15 часов.

    Компьютер, который может работать со звуком, имеет колонки для воспроизведения  музыки. Как правило, их две для  обеспечения стереозвучания. Кроме  того, дополнительно в комплект персонального  компьютера могут быть включены другие внешние устройства — сканер, плоттер, джойстик, внешний жесткий диск и  др. Однако указанная комплектация является базовой, позволяющей выполнять  стандартные наборы программ, называемых пакетами, как, например, Microsoft Office, и  решать некоторые прикладные задачи, в частности мультимедиа —  работу со звуком и изображением. История  появления персональных компьютеров. Прообразы компьютеров. Можно сказать, что история компьютеров берет  начало со дня появления обыкновенных счетов, которые на долгие века оставались почти единственным видом вычислительной техники. Кое-какие новые идеи начали появляться в XVI веке. Именно тогда испанский монах Раймунд Луллит выдвинул идею логической машины, однако конкретная реализация вычислительных устройств началась лишь в середине прошлого века. Первая простая машина для сложения и вычитания шестиразрядных чисел была создана астрономом Уильямом Шикардом в 1623 году. При помощи специальных счетов можно было производить операции умножения, а если результат превышал возможности машины, то звонил специальный колокольчик. 

    2. ВНЕШНЯЯ  АРХИТЕКТУРА  ПК

    Внешняя архитектура современного персонального  компьютера представляет собой соединение монитора, клавиатуры, мыши и акустической системы к системному блоку.

    Системный блок (сленг. системник, корпус),(рис.2) —  функциональный элемент, защищающий внутренние компоненты ПК от внешнего воздействия  и механических повреждений, поддерживающий необходимый температурный режим  внутри системного блока, экранирующий создаваемые внутренними компонентами электромагнитное излучение и является основой для дальнейшего расширения системы. Системные блоки чаще всего  изготавливаются из деталей на основе стали, алюминия и пластика, также  иногда используются такие материалы, как древесина или органическое стекло.

    В системном блоке расположены:

    Материнская плата с установленным на ней  процессором, ОЗУ, картами расширения (видеоадаптер, звуковая карта).

    Отсеки  для накопителей —жёстких дисков, дисководов CD-ROM и др

    Монитор, дисплей (Рис.3) — универсальное устройство визуального отображения всех видов  информации. Различают алфавитно-цифровые и графические мониторы, а также  монохромные мониторы и мониторы цветного изображения — активно-матричные  и пассивно-матричные ЖКМ.

    По  строению:

    ЭЛТ — на основе электронно-лучевой  трубки (англ. cathode ray tube, CRT)

    ЖК  — жидкокристаллические мониторы (англ. liquid crystal display, LCD)

    Плазменный  — на основе плазменной панели

    Проекционный  — видеопроектор и экран, размещённые  отдельно или объединённые в одном  корпусе (как вариант — через  зеркало или систему зеркал)

    OLED-монитор  — на технологии OLED (англ. organic light-emitting diode — органический светоизлучающий  диод). 

    Клавиатура  компьютера, (Рис.4) — одно из основных устройств ввода информации от пользователя в компьютер. Стандартная компьютерная клавиатура, также называемая клавиатурой PC/AT или AT-клавиатурой (поскольку она  начала поставляться вместе с компьютерами серии IBM PC/AT), имеет 101 или 102 клавиши. Клавиатуры, которые поставлялись вместе с предыдущими  сериями — IBM PC и IBM PC/XT, — имели 86 клавиш.[источник не указан 155 дней] Расположение клавиш на AT-клавиатуре подчиняется  единой общепринятой схеме, спроектированной в расчёте на английский алфавит.

    По  своему назначению клавиши на клавиатуре делятся на шесть групп:

    функциональные;

    алфавитно-цифровые;

    управления  курсором;

    цифровая  панель;

    специализированные;

    модификаторы.

    Двенадцать  функциональных клавиш расположены  в самом верхнем ряду клавиатуры. Ниже располагается блок алфавитно-цифровых клавиш. Правее этого блока находятся  клавиши управления курсором, а с  самого правого края клавиатуры —  цифровая панель.

    Манипулятор «мышь» (в обиходе просто «мышь» или «мышка»), (Рис.5)  — одно из указательных устройств ввода, обеспечивающих интерфейс пользователя с компьютером.

    Принтер (англ. printer — печатник), (Рис.6)  —  устройство печати цифровой информации на твёрдый носитель, обычно на бумагу. Относится к терминальным устройствам  компьютера.

    Процесс печати называется вывод на печать, а получившийся документ — распечатка или твёрдая копия.

    Принтеры  бывают струйные, лазерные, матричные  и сублимационные, а по цвету печати — чёрно-белые (монохромные) и цветные. Иногда из лазерных принтеров выделяют в отдельный вид светодиодные принтеры.

    Монохромные принтеры имеют несколько градаций, обычно 2—5, например: чёрный — белый, одноцветный (или красный, или синий, или зелёный) — белый, многоцветный (чёрный, красный, синий, зелёный) —  белый.

    Монохромные принтеры имеют свою собственную  нишу и вряд ли (в обозримом будущем) будут полностью вытеснены цветными.

    Сканер (англ. scanner), (Рис.7)  — устройство, которое, анализируя какой-либо объект (обычно изображение, текст), создаёт  цифровую копию изображения объекта. Процесс получения этой копии  называется сканированием. В большинстве  сканеров для преобразования изображения  в цифровую форму применяются  светочувствительные элементы на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) (англ. Charge-Coupled Device, CCD).

    По  способу перемещения считывающей  головки и изображения относительно друг друга сканеры подразделяются на ручные (англ. Handheld), рулонные (англ. Sheet-Feed), планшетные (англ. Flatbed) и проекционные. Разновидностью проекционных сканеров являются слайдсканеры, предназначенные  для сканирования фотопленок. В высококачественной полиграфии используются барабанные сканеры, в которых в качестве светочувствительного элемента используется фотоэлектронный  умножитель (ФЭУ).

    Принцип работы однопроходного планшетного  сканера состоит в том, что  вдоль сканируемого изображения, расположенного на прозрачном неподвижном стекле, движется сканирующая каретка с  источником света. Отраженный свет через  оптическую систему сканера (состоящую  из объектива и зеркал или призмы) попадает на три расположенных параллельно  друг другу фоточувствительных полупроводниковых  элемента на основе ПЗС, каждый из которых  принимает информацию о компонентах  изображения.

    Акустическая  система, (Рис.8) — устройство для  воспроизведения звука.

    Акустическая  система бывает однополосной (один широкополосный излучатель, например, динамическая головка) и многополосной (две и более головок, каждая из которых создаёт звуковое давление в своей частотной полосе). Акустическая система состоит из акустического оформления (например, «закрытый ящик» или «система с фазоинвертором» и др.) и вмонтированных в него излучающих головок (обычно динамических).

    Однополосные  системы не получили широкого распространения  ввиду трудностей создания излучателя, одинаково хорошо воспроизводящего сигналы разных частот. Высокие интермодуляционные искажения при значительном ходе одного излучателя вызваны эффектом Доплера.

    В многополосных акустических системах спектр слышимых человеком звуковых частот разбивается на несколько  перекрываемых между собой диапазонов посредством фильтров (комбинации резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, или с помощью цифрового кроссовера). Каждый диапазон подаётся на свою динамическую головку, которая имеет наилучшие  характеристики в этом диапазоне. Таким  образом достигается наиболее высококачественное воспроизведение слышимых человеком  звуковых частот (20—20 000 Гц). 

3. ВНУТРЕНЯЯ АРХИТЕКТУРА  ПК

    Внутренняя  архитектура современного персонального  компьютера определяется схемой его  чипсета, которую можно найти  на сайтах производителей — Intel и AMD.

    Чипсет (англ. chip set), (Рис.9)  — набор микросхем, спроектированных для совместной работы с целью выполнения набора каких-либо функций. Так, в компьютерах чипсет выполняет роль связующего компонента, обеспечивающего совместное функционирование подсистем памяти, ЦПУ, ввода-вывода и других. Чипсеты встречаются  и в других устройствах, например, в радиоблоках сотовых телефонов.

    Раньше  компьютер имел до 2-х сотен микросхем  на материнской плате. Современные  компьютеры содержат две основные большие  микросхемы чипсета:

    контроллер-концентратор памяти (MCH) или северный мост(англ. North Bridge), который обеспечивает работу процессора с памятью и с видеоподсистемой. Северный мост  (системный контроллер), также известен как контроллер-концентратор памяти от англ. Memory Controller Hub (MCH) — один из основных элементов чипсета компьютера, отвечающий за работу с процессором, памятью и видеоадаптером. Северный мост определяет частоту системной  шины, возможный тип оперативной  памяти (в системах на базе процессоров Intel) (SDRAM, DDR, другие), её максимальный объем  и скорость обмена информацией с  процессором. Кроме того, от северного  моста зависит наличие шины видеоадаптера, её тип и быстродействие. Для компьютерных систем нижнего ценового уровня в  северный мост нередко встраивают и  графическое ядро. Во многих случаях  именно северный мост определяет тип  и быстродействие шины расширения системы (PCI, PCI Express, другое);

    контроллер-концентратор ввода-вывода (ICH) или южный мост (англ. South Bridge), обеспечивающий работу с внешними устройствами. Южный мост (функциональный контроллер), также известен как  контроллер-концентратор ввода-вывода от англ. I/O Controller Hub (ICH). Это микросхема, которая реализует «медленные»  взаимодействия на материнской плате  между чипсетом материнской платы  и её компонентами. Южный мост обычно не подключён напрямую к центральному процессору (ЦПУ), в отличие от северного моста. Северный мост связывает южный мост с ЦПУ.

    Выбор типа чипсета зависит от процессора, с которым он работает, и определяет разновидности внешних устройств (видеокарты, винчестера и др.).

    В характеристиках каждого процессора можно найти, с какими чипсетами  он может работать.

    Например, для процессоров Core 2 Duo рекомендуется  использовать чипсет Intel® P965 Express и материнские  платы, созданные на его основе.

    Однако  не так давно были разработаны  и появились в продаже чипсеты  нового поколения Intel 3 Series (G31, G33, G35, P35, X35) и материнские платы на их основе. Помимо поддержки двух- и четырёхъядерных  процессоров Intel Core 2 Duo и Core 2 Quad новые  чипсеты поддерживают совершенно новый  тип памяти DDR3 (наряду с традиционной DDR2-800), а также новое поколение  интерфейса PCI Express 2.0 с удвоенной  пропускной способностью графики, а  также работают с новой технологией Intel Turbo Memory для ускорения загрузки приложений. G33 и G35 имеют интегрированную  графику с полноценной аппаратной поддержкой DirectX 10. Первыми из этой серии  в продаже появились материнские  платы на чипсетах Intel G33 Express и Intel P35.

    Материнская плата (англ. motherboard, MB, также используется название англ. mainboard — главная плата; сленг. мама, мать, материнка), (Рис.10)  — 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.

    Оперативная память (также оперативное запоминающее устройство, ОЗУ), (Рис.11) — в информатике  — память, часть системы памяти ЭВМ, в которую процессор может  обратиться за одну операцию (jump, move и  т. п.). Предназначена для временного хранения данных и команд, необходимых  процессору для выполнения им операций. Оперативная память передаёт процессору данные непосредственно, либо через  кеш-память. Каждая ячейка оперативной  памяти имеет свой индивидуальный адрес.

    ОЗУ может изготавливаться как отдельный  блок или входить в конструкцию  однокристальной ЭВМ или микроконтроллера.

    загрузочное ПЗУ — хранит ПО, которое исполняется  сразу после включения питания. Как правило, загрузочное ПЗУ  содержит BIOS, однако может содержать  и ПО, работающие в рамках EFI.

    Центральный процессор (ЦП; англ. central processing unit, CPU, дословно — центральное вычислительное устройство), (Рис.12)  — исполнитель машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения  компьютера или программируемого логического  контроллера, отвечающий за выполнение операций, заданных программами.

    Современные ЦП, выполняемые в виде отдельных  микросхем (чипов), реализующих все  особенности, присущие данного рода устройствам, называют микропроцессорами. С середины 1980-х последние практически  вытеснили прочие виды ЦП, вследствие чего термин стал всё чаще и чаще восприниматься как обыкновенный синоним  слова «микропроцессор». Тем не менее, это не так: центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой  сложные комплексы больших (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС).

    Изначально  термин Центральное процессорное устройство описывал специализированный класс  логических машин, предназначенных  для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного  соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом  был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его  аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые  функции остались теми же, что и  прежде.

    Ранние  ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных  для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров  перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых  элементов, мейнфреймов и миникомпьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё  больше увеличить сложность ЦП с  одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода/вывода, таймеры, и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.

    Видеокарта (известна также как графическая  плата, графический ускоритель, графическая  карта, видеоадаптер) (англ. videocard), (Рис.13)  — устройство, преобразующее изображение, находящееся в памяти компьютера, в видеосигнал для монитора.

    Обычно  видеокарта является платой расширения и вставляется в разъём расширения, универсальный (PCI-Express, PCI, ISA, VLB, EISA, MCA) или  специализированный (AGP), но бывает и  встроенной (интегрированной) в системную  плату (как в виде отдельного чипа, так и в качестве составляющей части северного моста чипсета  или ЦПУ).

    Современные видеокарты не ограничиваются простым  выводом изображения, они имеют  встроенный графический микропроцессор, который может производить дополнительную обработку, разгружая от этих задач  центральный процессор компьютера. Например, все современные видеокарты NVIDIA и AMD (ATi) поддерживают приложения OpenGL на аппаратном уровне. В последнее  время также имеет место тенденция  использовать вычислительные способности  графического процессора для решения  неграфических задач.

    Звуковая  плата (также называемая звуковая карта  или музыкальная плата) (англ. sound card), (Рис.14)  — это плата, которая  позволяет работать со звуком на компьютере. В настоящее время звуковые карты  бывают как встроенными в материнскую  плату, так и отдельными платами  расширения или внешними устройствами. HD Audio — является эволюционным продолжением спецификации AC‘97, предложенным компанией Intel в 2004 году, обеспечивающей воспроизведение  большего количества каналов с более  высоким качеством звука, чем  обеспечивалось при использовании  интегрированных аудиокодеков, как AC'97. Аппаратные средства, основанные на HD Audio, поддерживают 192 кГц/24-разрядное качество звучания в двухканальном и 96 кГц/24-разрядное в многоканальном режимах (до 8 каналов).

    Накопитель  на жёстких магнитных дисках или  НЖМД (англ. Hard (Magnetic) Disk Drive, HDD, HMDD), жёсткий  диск, винчестер, в просторечии «винт», хард, харддиск, (Рис.15)  — устройство хранения информации, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве  компьютеров.

    В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или керамические) пластины, покрытые слоем ферримагнитного  материала, чаще всего двуокиси хрома. В НЖМД используется от одной до нескольких пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем  режиме не касаются поверхности пластин  благодаря прослойке набегающего  потока воздуха, образуемого у поверхности  при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных  дисках около 10 нм[1]), а отсутствие механического  контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный  контакт с поверхностью дисков.

    Интерфейс (англ. interface) — совокупность линий  связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии, и правил (протокола) обмена. Серийно выпускаемые жесткие  диски могут использовать интерфейсы ATA (он же IDE и PATA), SATA, SCSI, SAS, FireWire, USB, SDIO и Fibre Channel.

    Ёмкость (англ. capacity) — количество данных, которые  могут храниться накопителем. Ёмкость  современных устройств достигает 2000 Гб (2 Тб). В отличие от принятой в информатике системы приставок, обозначающих кратную 1024 величину, производителями  при обозначении ёмкости жёстких  дисков используются величины, кратные 1000. Так, ёмкость жёсткого диска, маркированного как «200 ГБ», составляет 186,2 ГиБ.