Файл: устройство персонального компьютера ( Общее устройство компьютера.).pdf

Порты устройств представляют собой некие электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора.

Портами также называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы).

Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами - побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно.

К последовательному порту обычно подсоединяют медленно действующие или достаточно удалённые устройства, такие, как мышь и модем. К параллельному порту подсоединяют более "быстрые" устройства - принтер и сканер. Через игровой порт подсоединяется джойстик. Клавиатура и монитор подключаются к своим специализированным портам, которые представляют собой просто разъёмы.

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). [2]

3.1. Основные блоки, входящие в состав ПК

Современный персональный компьютер состоит из нескольких основных конструктивных компонент:

• системного блока;
• монитора;
• клавиатуры;
• манипуляторов.

Корпус системного блока может иметь горизонтальную (DeskTop) или вертикальную (Tower - башня) компоновку.

Типичный системный блок со снятой крышкой корпуса представлен на рис. 7

Вместо термина "системный блок" иногда употребляют термин "платформа". [2]

3.2. Системная плата

Системная плата является основной в системном блоке. Она содержит компоненты, определяющие архитектуру компьютера:

• центральный процессор;
• постоянную (ROM) и оперативную (RAM) память, кэш-память;
• интерфейсные схемы шин;
• гнёзда расширения;
• обязательные системные средства ввода-вывода и др.

Системные платы исполняются на основе наборов микросхем, которые называются чипсетами (ChipSets). Часто на системных платах устанавливают и контроллеры дисковых накопителей, видеоадаптер, контроллеры портов и др.

В гнёзда расширения системной платы устанавливаются платы таких периферийных устройств, как модем, сетевая плата, видеоплата и т.п.

3.3. Процессор

Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) - это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера. [2]

Центральный процессор (ЦП) или просто процессор — состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ), Устройство управления (УУ) и

также набора регистров общего назначения (РОН), служащих для промежуточного хранения информации в процессе ее обработки.

Устройство управления (УУ) — важнейшая часть вычислительной машины, организующая автоматическое выполнение программ (путем реализации функций управления) и обеспечивающая функционирование ВМ как единой системы. Для пояснения функций УУ вычислительную машину следует рассматривать как совокупность элементов, между которыми происходит пересылка информации, в ходе которой эта информация может подвергаться определенным видам обработки.

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. [3]

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему - тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

Вот как выглядит микропроцессор Pentium III (рис. 9):

Рис. 9. Микропроцессор Pentium III

В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называются многопроцессорными.

Функции процессора:

• обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;
• программное управление работой устройств компьютера. [2]

3.4. Память компьютера.

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.

Различают два основных вида памяти - внутреннюю и внешнюю.

Функции памяти:

• приём информации из других устройств;
• запоминание информации;
• выдача информации по запросу в другие устройства машины. [2]

Организация внутренней памяти

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

3.4.1 Оперативная 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. [2]

Организация оперативной памяти.

Запоминающие устройства (ЗУ), именуемые также устройст­вами памяти, предназначены для хранения данных. Основными характеристиками ЗУ являются:

• емкость памяти, измеряемая в битах либо байтах;

• методы доступа к данным;

• быстродействие (время обращения к устройству).

От количества оперативной памяти напрямую зависит скорость системы.

Адресация данных.

Команды, исполняемые ЭВМ при выполнении программы, равно как и числовые и символьные операнды; хранятся в памяти компьютера. Память состоит из миллионов ячеек, в каждой из которых содержится один бит информации (значения 0 или 1). Биты редко обрабатываются поодиночке, а, как правило, группами фиксированного размера. Для этого память организуется таким образом, что группы по п бит могут записываться и считываться за одну операцию. Группа п бит называется словом, а значение п — длиной слова. Схематически память компьютера можно представить в виде массива слов.

Основная память соединяется с процессором посредством адресной шины и шины данных. Каждая шина состоит из совокупности электрических цепей (линий или бит). Ширина (разрядность) адресной шины определяет, сколько адресов может быть в ОП (адресное пространство), а шины данных - сколько данных может быть передано за один цикл.

Байтовая адресация.

Отдельные биты, как правило, не адре­суются и чаще всего адреса назначаются байтам памяти. Память, в которой каждый байт имеет отдельный адрес, называется памятью с байтовой адресацией. Последовательные байты имеют адреса 0, 1, 2 и т. д. Таким образом, при использовании слов длиной 32 бита последовательные слова имеют адреса 1, 4, 8, ..., и каждое слово состоит из 4 байт.

Адресное пространство.

Для доступа к памяти необходимы имена или адреса, определяющие расположение данных в памяти. В качестве адресов традиционно используются числа из диапазона от 0 до 2* - 1 со значением к, достаточным для адресации всей памяти компьютера. Все 2* адресов составляют адресное пространство компьютера. Следовательно, память состоит из 2* адресуемых элементов.

Иерархическая организация памяти

Компромиссом между производительностью и объемами памяти является решение использовать иерархию запоминающих устройств, т. е. применять иерархическую модель памяти.

Применение иерархических систем памяти оправдывает себя вследствие двух важных факторов — принципа локальности обращений и низкого (экономически выгодного) соотношения стоимость/производительность. Принцип локальности обращений состоит в том, что большинство программ обычно не выполняют обращений ко всем своим командам и данным равновероятно, а в каждый момент времени оказывают предпочтение некоторой части своего адресного пространства.

Иерархия памяти обычно состоит из многих уровней, но в каждый момент времени взаимодействуют только два близлежащих уровня. Минимальная единица информации, которая может присутствовать либо отсутствовать в двухуровневой иерархии, называется блоком или строкой. [4]

3.4.2 Кэш-память

Кэш (англ. cache), или сверхоперативная память - очень быстрое ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью.

Кэш-памятью управляет специальное устройство - контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. При этом возможны как "попадания", так и "промахи". В случае попадания, то есть, если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает её непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования. [2]