Магистрально-модульный принцип построения компьютера

 _{Магистрально-модульный  принцип построения компьютера}

    В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами. Магистраль включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления.

     Шина данных

   По этой шине данные передаются между различными устройствами. Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т.е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. За 25 лет, со времени создания первого персонального компьютера (1975 г), разрядность шины данных увеличилась с 8 до 64 бит. 

   Шина адреса

   Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине. Разрядность шины адреса определяет адресное пространство процессора, т.е. количество ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле: N=2^I, где I - разрядность шины адреса.

   В первых персональных компьютерах разрядность шины адреса составляла 16 бит, а количество адресуемых ячеек памяти - . В современных персональных компьютерах разрядность шины адреса составляет 32 бита, а максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти равно N=2³²=4 294 967 296.

   Шина управления

   По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления определяют, какую операцию - считывание или запись информации из памяти - нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т.д.

 КИП - контроллер интерфейса PCI

 ШД, ША, ШУ - шины данных, адреса, управления

 ШАОУ - шина адреса оконечного устройства

 ВБ - выбор банка памяти

 УВ - управляющий вычислитель

 ППУ - приемопередающее устройство

 Тр - трансформаторы изолирующие

 _{Структура персонального компьютера}

 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 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).

 Рассмотрим  состав и назначение основных блоков ПК. 

 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, 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.

 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; сканеры; 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.

 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.

 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).

 _{Внутреннее  устройство персонального  компьютера}

 Процессор

 Центральный процессор (ЦП; англ. central processing unit, CPU, дословно - центральное вычислительное устройство) - 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. Тем не менее, это не так: центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы больших (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС).

 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.

 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. Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретённого Джоном фон Нейманом. Д. фон Нейман придумал схему постройки компьютера в 1946 году.

 Этапы цикла выполнения:

1. Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса, и отдаёт памяти команду чтения;
2. Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных, и сообщает о готовности;
3. Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её;
4. Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды;
5. Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).

 Во  время процесса процессор считывает  последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая  последовательность команд называется программой и представляет алгоритм работы процессора.

 Скорость  перехода от одного этапа цикла к  другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой. В данное время существует несколько типов архитектуры процессоров.

 CISC-процессоры

 Complex Instruction Set Computer - вычисления со сложным набором команд. Процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд. Типичными представителями CISC является семейство микропроцессоров Intel x86 (хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд).

 RISC-процессоры

 Reduced Instruction Set Computer - вычисления с сокращённым  набором команд. Архитектура процессоров,  построенная на основе сокращённого  набора команд. Характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации. Концепция RISC разработана Джоном Коком (John Cocke) из IBMResearch, название придумано Дэвидом Паттерсоном (David Patterson).

 Среди первых реализаций этой архитектуры  были процессоры MIPS, PowerPC, SPARC, Alpha, PA-RISC. В мобильных устройствах широко используются ARM-процессоры.

 MISC-процессоры

 Minimum Instruction Set Computer - вычисления с минимальным  набором команд. Дальнейшее развитие идей команды Чака Мура, который полагает, что принцип простоты, изначальный для RISC-процессоров, слишком быстро отошёл на задний план. В пылу борьбы за максимальное быстродействие, RISC догнал и перегнал многие CISC процессоры по сложности. Архитектура MISC строится настековой вычислительной модели с ограниченным числом команд (примерно 20-30 команд).

 Многоядерные  процессоры

 Содержат  несколько процессорных ядер в одном  корпусе (на одном или нескольких кристаллах). Процессоры, предназначенные для работы одной копии операционной системы на нескольких ядрах, представляют собой высокоинтегрированную реализацию мультипроцессорности.

 Двухъядерность  процессоров включает такие понятия, как наличие логических и физических ядер: например двухъядерный процессор Intel Core Duo состоит из одного физического  ядра, которое в свою очередь разделено  на два логических. Процессор Intel Core 2 Quad состоит из четырёх физических ядер, что существенно влияет на скорость его работы.

 Материнская плата

 Материнская плата (англ. motherboard, MB, также используется название англ. mainboard - главная плата; сленг. мама, мать, материнка) - 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 иPCI-Express.

 Основные  компоненты, установленные на материнской  плате:

 ЦПУ (центральное процессорное устройство) набор системной логики (англ. chipset) - набор микросхем, обеспечивающих подключение ЦПУ к ОЗУ и контроллерам периферийных устройств. Как правило, современные наборы системной логики строятся на базе двух СБИС: "северного" и "южного мостов".

 Северный  мост (англ. Northbridge), MCH (Memory controller hub), системный контроллер - обеспечивает подключение ЦПУ к узлам, использующим высокопроизводительные шины: ОЗУ, графический контроллер.

 Для подключения ЦПУ к системному контроллеру могут использоваться такие FSB-шины, как Hyper-Transport иSCI.Обычно к системному контроллеру подключается ОЗУ. В таком случае он содержит в себе контроллер памяти. Таким образом, от типа применённого системного контроллера обычно зависит максимальный объём ОЗУ, а также пропускная способность шины памяти персонального компьютера.

 Южный мост (англ. Southbridge),  ICH (I/O controller hub), периферийный контроллер -  содержит контроллеры периферийных устройств (жёсткого диска, Ethernet, аудио) контроллеры шин для подключения периферийных устройств (шины PCI, PCI-Express и USB), а также контроллеры шин к которым подключаются устройства, не требующие высокой пропускной способности (LPC - используется для подключения загрузочного ПЗУ; также шина LPC используется для подключения мультиконтроллера.

 ОЗУ (оперативное запоминающее устройство)- техническое устройство, реализующее  функции оперативной памяти.

 Загрузочное ПЗУ ( постоянное запоминающее устройство)- хранит ПО, которое исполняется сразу  после включения питания. Как  правило, загрузочное ПЗУ содержит BIOS, однако может содержать и ПО, работающие в рамках EFI. 

 Оперативная память

 Оперативная память (также оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) - 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.

 На  сегодня наибольшее распространение  имеют два вида ОЗУ:

 SRAM (Static RAM).ОЗУ, собранное на триггерах, называется статической памятью с произвольным доступом или просто статической памятью. Достоинство этого вида памяти - скорость. Поскольку триггеры собраны на вентилях, а время задержки вентиля очень мало, то и переключение состояния триггера происходит очень быстро. Данный вид памяти не лишён недостатков. Во-первых, группа транзисторов, входящих в состав триггера, обходится дороже, даже если они вытравляются миллионами на одной кремниевой подложке. Кроме того, группа транзисторов занимает гораздо больше места, поскольку между транзисторами, которые образуют триггер, должны быть вытравлены линии связи.

 DRAM (Dynamic RAM).Более экономичный вид памяти. Для хранения разряда (бита или трита) используется схема, состоящая из одного конденсатора и одного транзистора (в некоторых вариациях конденсаторов два). Такой вид памяти решает, во-первых, проблему дороговизны (один конденсатор и один транзистор дешевле нескольких транзисторов) и во-вторых, компактности (там, где в SRAM размещается один триггер, то есть один бит, можно уместить восемь конденсаторов и транзисторов).