Файл: Устройство персонального компьютера (История возникновения компьютеров).pdf

Типичная фон-неймановская машина содержит: память, устройство управления, арифметико-логическое устройство и устройство ввода/вывода.

В любом компьютере имеются средства для ввода программ и данных к ним. Информация поступает из подсоединенных к компьютеру периферийных устройств (ПУ) ввода. Результаты вычислений выводятся на периферийные устройства вывода. Связь и взаимодействие компьютера и ПУ обеспечивают порты ввода и порты вывода. Термином порт обозначают аппаратуру сопряжения периферийного устройства с ВМ и управления им. Совокупность портов ввода и вывода называют устройством ввода/вывода (УВВ).

Память компьютера имеет сложную многоуровневую структуру, реализованную в виде взаимодействующих запоминающих устройств (ЗУ), которые могут использовать различные физические принципы для хранения данных.

Введенная информация сначала запоминается в основной памяти, а затем переносится во вторичную память, для длительного хранения. Чтобы программа могла выполняться, команды и данные должны располагаться в основной памяти (ОП), организованной таким образом, что каждое двоичное слово хранится в отдельной ячейке, идентифицируемой адресом, причем соседние ячейки памяти имеют следующие по порядку адреса.

Доступ к любым ячейкам основной памяти может производиться в произвольном порядке. Такой вид памяти известен как память с произвольным доступом. ОП современных компьютеров в основном состоит из полупроводниковых оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), обеспечивающих как считывание, так и запись информации. Для таких ЗУ характерна энергозависимость – хранимая информация теряется при отключении электропитания. Если необходимо, чтобы часть основной памяти была энергонезависимой, в состав ОП включают постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), также обеспечивающие произвольный доступ. Хранящаяся в ПЗУ информация может только считываться.

Для долговременного хранения больших программ и массивов данных обычно имеется дополнительная память, известная как вторичная. Вторичная память энергонезависима и чаще всего реализуется на базе магнитных дисков. Информация в ней хранится в виде специальных программно поддерживаемых объектов – файлов.

Неотъемлемой частью современных компьютеров стала кэш-память – память небольшой емкости, но высокого быстродействия. В нее из основной памяти копируются наиболее часто используемые команды и данные. При обращении со стороны процессора информация берется не из основной памяти, а из соответствующей копии, находящейся в более быстродействующей кэш-памяти.

Наконец, четвертый вид памяти, используемых на прктике, – это регистры центрального процессора. Каждый регистр можно рассматривать как одну ячейку памяти, обращение к которой занимает значительно меньше времени даже по сравнению с достаточно быстродействующей кэш-памятью. Число регистров обычно невелико, и они образуют небольшую память, иногда называемую сверхоперативной памятью или регистровым файлом. В регистры обычно помещают часто используемые константы или промежуточные результаты вычислений, что позволяет сократить число обращений к более медленным видам памяти.

Устройство управления (УУ) — важнейшая часть вычислительной машины, организующая автоматическое выполнение программ (путем реализации функций управления) и обеспечивающая функционирование ВМ как единой системы. Основной функцией УУ является формирование управляющих сигналов, отвечающих за извлечение команд из памяти в порядке, определяемом программой, и последующее исполнение этих команд. Кроме того, УУ формирует сигналы для синхронизации и координации внутренних и внешних устройств компьютера.

Еще одной неотъемлемой частью ВМ является арифметико-логическое устройство (АЛУ). АЛУ обеспечивает арифметическую и логическую обработку двух входных переменных (операндов), в итоге которой формируется выходная переменная (результат). Функции АЛУ обычно сводятся к простым арифметическим и логическим операциям, а также операциям сдвига. Помимо результата операции, АЛУ формирует ряд признаков результата (флагов), характеризующих полученный результат и события, произошедшие в ходе его получения (равенство нулю, знак, четность, перенос, переполнение и т. д.). Флаги могут анализироваться в УУ с целью принятия решения о дальнейшем порядке следования команд программы.

УУ и АЛУ тесно взаимосвязаны и их обычно рассматривают как единое устройство, известное как центральный процессор (ЦП) или просто процессор. Помимо УУ и АЛУ в процессор входит также набор регистров общего назначения (РОН), служащих для промежуточного хранения информации в процессе ее обработки.

Достоинства и недостатки архитектуры вычислительных машин и систем изначально зависят от способа соединения компонентов. В настоящее время примерно одинаковое распространение получили два способа построения вычислительных машин: с непосредственными связями и на основе шины.

Типичным представителем первого способа может служить классическая фон-неймановская машина (см. рис. 1.3). В ней между взаимодействующими устройствами (процессор, память, устройство ввода/вывода) имеются непосредственные связи. Особенности связей (число линий в шинах, пропускная способность и т. п.) определяются видом информации, характером и интенсивностью обмена. Достоинством архитектуры с непосредственными связями можно считать возможность развязки «узких мест» путем улучшения структуры и характеристик только определенных связей, что экономически может быть наиболее выгодным решением. У фон-неймановских машин таким «узким местом» является канал пересылки данных между ЦП и памятью и «развязать» его достаточно непросто. Кроме того, машины с непосредственными связями плохо поддаются реконфигурации.

В варианте с общей шиной все устройства компьютера подключены к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных и управления. Наличие общей шины существенно упрощает реализацию устройства, позволяет легко менять состав и конфигурацию машины. Благодаря этим свойствам шинная архитектура получила широкое распространение в мини- и микроЭВМ. Вместе с тем, именно с шиной связан и основной недостаток архитектуры: в каждый момент передавать информацию по шине может только одно устройство. Основную нагрузку на шину создают обмены между процессором и памятью, связанные с извлечением из памяти команд и данных и записью в память результатов вычислений. На операции ввода/вывода остается лишь часть пропускной способности шины.

В целом, следует признать, что при сохранении фон-неймановской концепции последовательного выполнения команд программы (одна команда в единицу времени) шинная архитектура в чистом ее виде оказывается недостаточно эффективной. Более распространена архитектура с иерархией шин, где помимо магистральной шины имеется еще несколько дополнительных шин. Они могут обеспечивать непосредственную связь между устройствами с наиболее интенсивным обменом, например процессором и кэш-памятью. Другой вариант использования дополнительных шин – объединение однотипных устройств ввода/вывода с последующим выходом с дополнительной шины на магистральную. Все эти меры позволяют снизить нагрузку на общую шину и более эффективно расходовать ее пропускную способность.

Раздел 3. Основные компоненты компьютера

Как правило, персональные компьютеры состоят из таких частей:

• Системного блока (иногда интегрированного в монитор);
• Клавиатуры и мыши, позволяющих вводить информацию
• Монитора, предназначенного для отображения текстовой и графической информации

Однако компьютеры могут выпускаться и в портативных вариантах – в карманном или блокнотном (ноутбук) исполнениях. В ноутбуке системный блок, монитор и клавиатура заключены в один корпус: системный блок размещён под клавиатурой, а монитор выполнен в виде крышки к клавиатуре. Карманный (или планшетный) компьютер – миниатюрное устройство с оперативной системой, чаще всего с сенсорным дисплеем.

3.1. Системный блок

Системный блок - это центральная часть компьютера, кото¬рую фактически и можно называть компьютером (а вовсе не мо¬нитор, как думают многие начинающие пользователи). Систем¬ный блок представляет собой корпус с блоком питания и целым рядом устройств, которые необходимы для функционирования компьютера

1) Все комплектующие, входящие в системный блок, должны быть помещены в корпус. Существует несколько вариантов кор¬пусов. Отсутствие жесткого стандарта позволяет производителям корпусов выпускать весьма разнообразную продукцию, которая различается по дизайну, габаритам и способу сборки. Кроме того, ряд фирм оснащают свою продукцию различными дополнитель¬ными заслонками, крышечками, защелками.

Корпуса классифицируются исходя из того, как они будут располагаться - на рабочем столе рядом с монитором, на полу или в специальном отсеке компьютерного стола.

2) Блок питания обеспечивает электропитание всех компонен¬тов, находящихся в системном блоке, и обычно поставляется в комплекте с корпусом.

3) Самым главным элементом в компьютере, его «мозгом», яв¬ляется микропроцессор – электронное устройство в не¬большом корпусе, выполняющее все вычисления и обработку информации. Процессор осуществляет выполнение программ, работающих на компьютере, а также управляет работой осталь¬ных устройств компьютера. В настоящее время в подавляющем большинстве персональных компьютеров используются микропроцессоры двух фирм: Intel и AMD.

Мощность процессора складывается из разрядности и быстро¬действия.

Разрядность - это количество данных, которые обрабатыва¬ются процессором за один прием, а быстродействие — частота, с которой эта обработка происходит. Быстродействие современных процессоров измеряется в гигагерцах (ГГц), т.е. миллиардах операций в секунду.

В современных компьютерах широко используются многоядерные процессоры, отличающиеся повышенным быстродействием. По сути, двухъядерный процессор - это два процессора, кото¬рые расположены на одном кристалле или в одном корпусе. В одноядерном процессоре команды, поступившие на его вход, последовательно проходят через нужные для их выполнения бло¬ки, т.е. пока процессором выполняется очередная команда, ос¬тальные ждут своей очереди. В двухъядерном процессоре на вход приходят два отдельных потока команд и данных и также раз¬дельно выходят, не оказывая влияния друг на друга. За счет па¬раллельного исполнения процессором нескольких потоков ко¬манд повышается производительность и скорость отклика ПК. В процессорах последних поколений число ядер может достигать восьми, шестнадцати и более.

4) Материнская плата компьютера объединяет и координирует работу таких различных по своей сути и функциональности комплек¬тующих, как процессор, оперативная намять, платы расширения и всевозможные накопители. Это второй по важности компонент системного блока.

В' современных компьютерах на материнской плате присутст¬вует интегрированная (встроенная) звуковая карта, но она не имеет возможности работать с новыми многоканальными акусти¬ческими системами.

Главным параметром всех материнских плат является форм¬фактор. Он определяет физические параметры платы и тип кор¬пуса, в который ее можно будет установить. Под физическими параметрами подразумеваются размеры материнской платы, раз¬меры и совместимость устанавливаемых плат расширения, рас¬положение слотов оперативной памяти и процессорного сокета, тип и механизм охлаждения электронных компонентов и т.д.

Ещё две важных характеристик материнской платы – сокет и чипсет. Сокет – это разъём, в который процессор устанавливается на материнской плате. Как и любой другой разъём, он имеет определённые физические размеры, конструкцию, количество контактов и так далее. Соответственно, за редкими исключениями, установить в один сокет можно только одно семейство процессоров.

Чипсет – набор микросхем, обеспечивающий взаимодействие центрального процессора, накопителей данных, устройств ввода/вывода и прочих элементов ПК. В силу того, что на современных платформах контроллеры оперативной памяти, шины PCI-express и прочие ответственные узлы переместились с материнской платы в центральный процессор, чипсет не влияет на производительность. А вот функционал материнской платы зависит в первую очередь именно от него. Современные чипсеты фактически отличаются друг от друга лишь количеством и типом поддерживаемых интерфейсов для подключения жестких дисков и портов USB.

5) для работы компьютера необходим обмен информацией между оперативной памятью и внешними устройствами. Такой обмен называется вводом/выводом. Однако этот процесс не происходит непосредственно: между любым внешним устройством и опера¬тивной памятью в компьютере имеются два промежуточных зве¬на. Для каждого внешнего устройства в компьютере есть элек¬тронная схема, которая им управляет. Эта схема называется кон¬троллером, или адаптером. Некоторые контроллеры (например, контроллер дисков) могут управлять сразу несколькими устрой¬ствами.

Одним из контроллеров, присутствующих почти в каждом компьютере, является контроллер портов ввода/вывода. Порты - это разъемы на материнской плате (выведены на заднюю стенку системного блока) для подключения внешних устройств. Для современных пользователей наиболее актуален порт USB – Universal Serial Bus (универ¬сальная последовательная шина), поддерживающий установку са¬монастраивающихся устройств (Plug and Play).