Архитектура ПК

   АРХИТЕКТУРА ПК 

      

   План  

   Введение  

   I. Функционально-структурная  организация  

   1. Основные  блоки ПК и их значение  

   2. Внутримашинный  системный интерфейс  

   3. Функциональные  характеристики ПК  

   II. Микропроцессоры  

   1. Типы  микропроцессоров  

   2. Структура  микропроцессора  

   3. Последовательность  работы блоков ПК  

   III. Запоминающие  устройства ПК  

   1. Регистровая  КЭШ- память  

   2. Основная  память  

   3. Внешняя  память  

   IV. Основные  внешние и внутренние устройства  ПК  

   Список  используемой литературы  

   Список  используемой литературы

   Архитектура ПК, комплектующие, мультимедиа. - Рудометов  Е., Рудометов В. – Питер, 2000.

   Гейн А.Г., Сенокосов А.И. Информатика. - М.: Дрофа, 1998.

   Кушниренко  А.Г. и др. Информатика. - М.: Дрофа, 1998.

   Кузнецов  А.А. и др. Основы информатики. - М.: Дрофа, 1998.

   Лебедев Г.В., Кушниренко А.Г. 12 лекций по преподаванию курса информатики. - М.: Дрофа, 1998.  

      

   Введение 

   Компьютер (англ. computer — вычислитель) представляет собой программируемое электронное  устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами.  
 

   Существует  два основных класса компьютеров:  

   - цифровые  компьютеры, обрабатывающие данные  в виде числовых двоичных кодов;  

   - аналоговые  компьютеры, обрабатывающие непрерывно  меняющиеся физические величины (электрическое напряжение, время  и т.д.), которые являются аналогами  вычисляемых величин  

   Поскольку в настоящее время подавляющее  большинство компьютеров являются цифровыми, далее будем рассматривать  только этот класс компьютеров и  слово "компьютер" употреблять  в значении "цифровой компьютер"

   Основу  компьютеров образует аппаратура (HardWare), построенная, в основном, с использованием электронных и электромеханических  элементов и устройств. Принцип  действия компьютеров состоит в  выполнении программ (SoftWare) — заранее  заданных, четко определённых последовательностей  арифметических, логических и других операций.  
 

   Любая компьютерная программа представляет собой последовательность отдельных команд

   Команда —  это описание операции, которую должен выполнить компьютер. Как правило, у команды есть свой код (условное обозначение), исходные данные (операнды) и результат.  
 

   Например, у команды "сложить два числа" операндами являются слагаемые, а результатом  — их сумма. А у команды "стоп" операндов нет, а результатом  является прекращение работы программы  

   Результат команды вырабатывается по точно  определенным для данной команды  правилам, заложенным в конструкцию  компьютера

   Совокупность  команд, выполняемых данным компьютером, называется системой команд этого компьютера.  
 

   Компьютеры  работают с очень высокой скоростью, составляющей миллионы - сотни миллионов  операций в секунду  

   Персональные  компьютеры, более чем какой-либо другой вид ЭВМ, способствуют переходу к новым компьютерным информационным технологиям, которым свойственны:

      

   - дружественный  информационный, программный и технический  интерфейс с пользователем;  

      

   - выполнение  информационных процессов в режиме  диалога с пользователем;  

      

   - сквозная  информационная поддержка всех  процессов на основе интегрированных  баз данных;  

      

   - так называемая  “безбумажная технология”.  
 

    Компьютер  - это многофункциональное электронное  устройство для накопления, обработки  и передачи информации  

   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  

   В основу построения большинства ЭВМ 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)  

   ЭВМ, построенные  на этих принципах, имеют классическую архитектуру (архитектуру фон Неймана)  

    Архитектура  ПК определяет принцип действия, информационные связи и взаимное  соединение основных логических  узлов компьютера:

      

   - це нтрального  процессора ;  

      

   - основной  памяти;  

      

   - внешней  памяти;  

      

   - периферийных  устройств .  
 

   Основные  электронные компоненты, определяющие архитектуру процессора, размещаются  на основной плате компьютера, которая  называется системной или материнской ( MotherBoard ). А контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти  устройства, выполняются в виде плат расширения ( DаughterBoard — дочерняя плата) и подключаются к шине с помощью  разъёмов расширения , называемых также  слотами расширения (англ. slot — щель, паз)  

      

     I. Функционально-структурная  организация  

   Основные  блоки ПК и их значение  

   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 ЭВМ: 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 ЭВМ реализуются с  помощью ее компонентов: аппаратных и программных средств  

   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  

   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 (более 5 тыс.  ч наработки на отказ)  

   Структура персонального компьютера  

   Рассмотрим  состав и назначение основных блоков ПК  

   Примечание. Здесь и далее организация  ПК рассматривается применительно  к самым распространенным в настоящее  время IBM PC-подобным компьютерам  

      

   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. Интерфейс (interface)- совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. Порт ввода-вывода (I/O - Input/Output port) - аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК  

   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  

   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)  

   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  

   Источник  питания. Это блок, содержащий системы  автономного и сетевого энергопитания  ПК  

   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 отключение машины от сети продолжает работать  

   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 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  

   Диалоговые  средства пользователя включают в свой состав видеомониторы (дисплеи), реже пультовые  пишущие машинки (принтеры с клавиатурой) 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 ); при перемещении  пера автоматически выполняются  считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК;  

   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;  

   сенсорные экраны - для ввода отдельных элементов  изображения, программ или команд с  полиэкрана дисплея в ПК  

   К устройствам  вывода информации относятся:  

   Принтеры - печатающие устройства для регистрации  информации на бумажный носитель;  

   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. Основные характеристики всех плоттеров примерно одинаковые: скорость вычерчивания-100-1000 мм/с, у лучших моделей возможны цветное  изображение и передача полутонов; наибольшая разрешающая способность  и четкость изображения у лазерных плоттеров, но они самые дорогие  

   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 ЭВМ  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 ЭВМ, 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. Но, пожалуй, еще с большим основанием к средствам мультимедиа относят  внешние запоминающие устройства большой  емкости на оптических дисках, часто  используемые для записи звуковой и  видеоинформации  

   Стоимость компактных дисков (CD) при их массовом тиражировании невысока, а учитывая их большую емкость (650 – 700 Мбайт, а  новых типов 8 Гбайт и выше), высокие  надежность и долговечность, стоимость  хранения информации на CD для пользователя оказывается несравнимо меньшей, нежели на магнитных дисках. На компакт-дисках организуются обширные базы данных, целые  библиотеки; на CD представлены словари, справочники, энциклопедии; обучающие  и развивающие программы по общеобразовательным  и общим предметам  

   CD широко  используется, например, при изучении  иностранных языков, правил дорожного  движения, бухгалтерского учета,  законодательства вообще и налогового  законодательства в частности.  И все это сопровождается текстами  и рисунками, речевой информацией  и мультипликацией, музыкой и  видео. В чисто бытовом аспекте  CD можно использовать для хранения  аудио- и видеозаписей, т. е.  использовать вместо плейерных  аудиокассет и видеокассет. Следует  упомянуть, конечно, и о большом  количестве программ компьютерных  игр, хранимых на CD  

   Таким образом, CD-ROM открывает доступ к огромным объемам разнообразной и по функциональному  назначению, и по среде воспроизведения  информации, записанной на компакт-дисках  

   Прерывание - временный останов выполнения одной  программы в целях оперативного выполнения другой, а в данный момент более важной (приоритетной) программы  

   Прерывания  возникают при работе компьютеры постоянно. Достаточно сказать, что  все процедуры ввода-вывода информации выполняются по прерываниям, например прерывания от таймера возникают  и обслуживаются контроллером прерываний 18 раз в секунду (естественно, пользователь их не замечает)  

   Контроллер  прерываний обслуживает процедуры  прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень  приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в МП. МП, получив  этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит  к выполнению специальной программы  обслуживания того прерывания, которое  запросило внешнее устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы. Контроллер прерывания  

   Внутримашинный  системный интерфейс  

   Внутримашинный  системный интерфейс - система связи  и сопряжения узлов и блоков ЭВМ  между собой -представляет собой  совокупность электрических линий  связи (проводов), схем сопряжения с  компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов  

   Существует  два варианта организации внутримашинного  интерфейса  

   1. Многосвязный  интерфейс : каждый блок ПК  связан с прочими блоками своими  локальными проводами; интерфейс  применяется, как правило,только  в простейших бытовых  

   2. Односвязный  интерфейс : все блоки ПК связаны  друг с другом через общую  или системную шину  

   В подавляющем  большинстве современных ПК в  качестве системного интерфейса используется системная шина. Структура и состав системной шины были рассмотрены  ранее. Важнейшими функциональными  характеристиками системной шины являются : количество обслуживаемых ею устройств  и ее пропускная способность , т.е. максимально  возможная скорость передачи информации . Пропускная способность шины зависит  от ее разрядности ( есть шины 8-,16-,32- и 64- разрядные) и тактовой частоты , на которой  шина работает  

   В качестве системной шины в разных ПК использовались и могут использоваться:  

   шины расширений - шины общего назначения, позволяющие  подключать большое число самых  разнообразных устройств;  

   локальные шины , специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройств определенного  класса  

   Шины расширений  

   Шина Multibus 1 имеет две модификации: PC/XT bus (personal Computer eXtended Technology )- ПК с расширенной  техлогией ) и PC/AT bus (PC Advachnology - ПК с усовершенствованной  технологией )  

   Шина PC/XT bus - 8-раазрядная шина данных и 20-разрядная  шина адреса, рассчитанная на тактовую частоту 4,77 МГц; имеет 3 линии для  адаптерных прерываний и 3 канала для  прямого доступа в память ( каналы DMA - Direkt Memory Access). Шина адреса ограничивала адресное пространство микропроцессора  величиной 1 Мбайт . Используется с МП 8086,8088  

   Шина PC/At bus - 16 разрядная шина данных и 24-разрядная  шина адреса, рабочая тактовая частота  до 8 МГц , но может использоваться и  МП с тактовой частотой 16 МГц ,так  как контроллер шины может делить частоту пополам ; имеет 7 линий для  адаптерных прерываний и 4 канала DMA . Используется с МП 80286  

   Шина ISA ( Industry Standard Architecture - архитектура промышленного  стандарта ) - 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая  тактовая частота 16 МГц, но может использоваться и МП с тактовой частотой 50 МГц (коэффициент  деления увеличен ); по сравнению  с шинами PC/XT и PC /AT увеличено количество линий аппаратных прерываний с 7 до 15 и каналов прямого доступа  к памяти DMA с 7 до 11. Благодаря 24-разрядной  шине адреса адресное пространство увеличилось с 1 до 16 Мбайт. Теоретическая пропускная способность шины данных равна 16 Мбайт /с, но реально она ниже, около 3-5 Мбайт/с, ввиду ряда особенностей ее использования. С появлением 32-разрядных высокоскоростных МП шина ISA стала существенным препятствием увеличения быстродействия ПК