Архитектура персональнго компьютера

Архитектура персонального  компьютера

 

   Основная компоновка  частей компьютера и связь  между ними называется архитектурой. Архитектура ПК - ее логическая  организация, структура и ресурсы,  которые может использовать программист.  При описании архитектуры компьютера определяется состав входящих в него компонентов, принципы их взаимодействия, а также их функции и характеристики.

 

 

 

I. Магистрально-модульный принцип

 

   В основу архитектуры  современных персональных компьютеров  положен магистрально-модульный принцип (рис1). Компьютер состоит из разрозненных частей – модулей. Модулем ПК будем называть любое относительно самостоятельное устройство компьютера (процессор, оперативная память, контроллер, дисплей, принтер, сканер и т.д.). Для того чтобы компьютер работал как единый механизм, необходимо осуществлять обмен данными между различными устройствами, за это отвечает системная (магистральная) шина. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию.

 

Рис 1

 

 

     Обмен  информацией между отдельными  устройствами компьютера производится  по трем многоразрядным шинам (многопроводным линиям), соединяющим все модули: шине данных, шине адресов и шине управления.

   К магистрали подключаются  процессор и оперативная память, а также периферийные устройства  ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией  на машинном языке (последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов). Центральные устройства подсоединены к шине непосредственно, а периферийные – через устройства сопряжения.

 

   Системная шина. Основной обязанностью системной шины является передача информации между процессором и остальными компонентами компьютера. По этой шине осуществляется не только передача информации, но и адресация устройств, а также обмен специальными служебными сигналами. Таким образом, упрощенно системную шину (магистраль) можно представить как совокупность сигнальных линий, объединенных по их назначению (данные, адреса, управление). Основной характеристикой этих линий является их разрядность - разрядность адресной шины, шины данных.

 
   Шина данных. По этой шине данные могут передаваться от процессора к какому-либо устройству, либо, наоборот, от устройства к процессору, т. е. шина данных является двунаправленной. Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т. е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт(имеются 8-, 16-, 32-, 64-разрядные процессоры).За 25 лет, со времени создания первого персонального компьютера (1975 г.), разрядность шины данных увеличилась с 8 до 64 бит. К основным режимам работы процессора с использованием шины данных можно отнести следующие: запись/чтение данных из оперативной памяти, запись/чтение данных из внешней памяти, чтение данных с устройства ввода, пересылка данных на устройство вывода.

 

   Шина адреса. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам, т. е. шина адреса является однонаправленной. Разрядность шины адреса определяет адресное пространство процессора, т. е. количество ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса (имеются 16-, 20-, 24- и 32-разрядные шины адреса). Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле: 
    

      

   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: 

    

    

   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.

 

II.Материнская плата

 

   Материнская плата - это сложная многослойная печатная плата, на которой обычно располагаются основные компоненты персонального компьютера:

   1. Центральный процессор  и сопроцессор. 
Процессор контролирует действия всех остальных устройств компьютера и координирует выполнение программ. Он имеет свою внутреннюю память, называемую регистрами, управляющие и арифметико-логические устройства. 
   Процесс общения процессора с внешним миром через устройства ввода-вывода по сравнению с информационными процессами внутри него протекает в сотни и тысячи раз медленнее. Это связано с тем, что устройства ввода и вывода информации часто имеют механический принцип действия (принтеры, клавиатура, мышь) и работают медленно. Чтобы освободить процессор от простоя при ожидании окончания работы таких устройств, в компьютер вставляются специализированные микропроцессоры-контроллеры. Получив от центрального процессора компьютера команду на вывод информации, контроллер самостоятельно управляет работой внешнего устройства. Окончив вывод информации, контроллер сообщает процессору о завершении выполнения команды и готовности к получению следующей. 

   Существует два типа оперативной памяти - память с произвольным доступом (RAM - Random Access Memory) и память, доступная только на чтение (ROM - Read Only Memory). Процессор компьютера может обмениваться данными с оперативной памятью с очень высокой скоростью, на несколько порядков превышающей скорость доступа к другим носителям информации, например дискам. 
 
   Оперативная память с произвольным доступом (RAM) служит для размещения программ, данных и промежуточных результатов вычислений в процессе работы компьютера. Данные могут выбираться из памяти в произвольном порядке, а не строго последовательно, как это имеет место, например, при работе с магнитной лентой. Память, доступная только на чтение (ROM) используется для постоянного размещения определенных программ (например, программы начальной загрузки ЭВМ). В процессе работы компьютера содержимое этой памяти не может быть изменено. 
 
   Оперативная память - временная, т. е. данные в ней хранятся только до выключения ПК. Для долговременного хранения информации служат дискеты, винчестеры, компакт-диски и т. п. Конструктивно элементы памяти выполнены в виде модулей, так что при желании можно сравнительно просто заменить их или установить дополнительные и тем самым изменить объем общей оперативной памяти компьютера. Основными характеристиками элементов (микросхем) памяти являются: тип, емкость, разрядность и быстродействие. 
 
   В настоящее время отдельные микросхемы памяти не устанавливаются на материнскую плату. Они объединяются в специальных печатных платах, образуя вместе с некоторыми дополнительными элементами модули памяти (SIMM- и DIMM-модули). 
 
  Устройства хранения информации используются для хранения информации в электронной форме. Любая информация - будь это текст, звук или графическое изображение, - представляется в виде последовательности нулей и единиц. Наиболее распространенные устройства хранения информации: 
   -Винчестеры

   Жесткие диски - наиболее быстрые из внешних устройств хранения информации. Кроме того, информация, хранящаяся на винчестере, может быть считана с него в произвольном порядке (диск - устройство с произвольным доступом). 
   Емкость диска современного персонального компьютера составляет десятки Гб. В одной ЭВМ может быть установлено несколько винчестеров. 
   -Оптические диски  
   Лазерные диски, как их еще называют, имеют емкость около 600 Мб и обеспечивают только считывание записанной на них однажды информации в режиме произвольного доступа. Скорость считывания информации определяется устройством, в которое вставляется компакт-диск. 
   -Магнитооптические диски 
   В отличие от оптических дисков магнитооптические диски позволяют не только читать, но и записывать информацию. 
   -Флоппи диски  
   В основе этих устройств хранения лежит гибкий магнитный диск, помещенный в твердую оболочку. Для того чтобы прочитать информацию, хранящуюся на дискете, ее необходимо вставить в дисковод компьютера. Емкость современных дискет всего 1.44 Мб. По способу доступа дискета подобна винчестеру. 
   -Zip and Jaz Iomega discs 
   Это относительно новые носители информации, которые призваны заменить гибкие магнитные диски. Их можно рассматривать, как быстрые и большие по емкости (100 Мб - Zip, 1 Гб - Jaz) дискеты. 
 
   Центральный процессор (микропроцессор) - CPU (Central Processing Unit), он управляет работой всех узлов ПК и программой, описывающей алгоритм решаемой задачи. МП имеет сложную структуру в виде электронных логических схем. В качестве его компонентов можно выделить два основных блока: 
АЛУ – арифметико-логическое устройство, предназначенное для выполнения процесса вычислений; 
ЦУУ – центральное устройство управления – устройство, обеспечивающее управление всеми процессами в компьютере.  
 
   Самой важной характеристикой процессора является его быстродействие (производительность, тактовая частота) — количество операций, выполняемых в секунду. Посредством выработки и передачи другим его компонентам управляющих импульсов, поступающих от кварцевого тактового генератора, который при включении ПК начинает вибрировать с постоянной частотой (100 МГц, 200-400 МГц и выше). Эти колебания и задают темп работы всей системной платы. 
 
2. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) - RAM - это запоминающее устройство, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и временного хранения выполняемых программ и данных. 
   ОЗУ обеспечивает хранение информации лишь в течение сеанса работы с ПК – после выключения компьютера из сети данные, хранимые в ОЗУ, теряются безвозвратно, то есть ОЗУ – энергозависимое устройство. 
 
3. Кэш-память или сверхоперативная память. Скорость обработки информации центральным процессором уже так высока, что современные устройства ОЗУ не справляются с функцией посредника между ЦП и внешней памятью. Поэтому было добавлено еще одно устройство – кэш-память – служащее посредником между ОЗУ и ЦП. Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память. 
 
4. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – предназначено для хранения оперативной информации, обеспечивающей запуск компьютера.  
   Блок ПЗУ состоит из двух частей: 
BIOS (Basic Input/Output System) – базовая система ввода и вывода. В ней хранится постоянная информация, заложенная на заводе-изготовителе, обеспечивающая запуск ПК. 
СМOS – переменная часть ПЗУ, где хранится информация о конфигурации ПК (перечень устройств, входящих в комплект ПК и их характеристики). 
   После выключения питания компьютера, информация в ПЗУ сохраняется, за счет энергии от специальных автономных батарей. Таким образом, ПЗУ является энергонезависимой памятью.

 

   Внешняя память:

   - Диски относятся к носителям информации с прямым доступом, т.е. ПК может обратиться к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию, непосредственно. 
   - Магнитные диски (МД)— в качестве запоминающей среды используются магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два направления намагниченности. Каждому из этих состояний ставятся в соответствие двоичные цифры — 0 и 1. Информация на МД записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей - дорожек. 
   - Гибкие магнитные диски – дискеты или флоппи-диски - магнитный слой наносится на гибкую основу 
   - Жесткие магнитные диски или винчестеры изготовлены из сплавов алюминия или из керамики и покрыты ферролаком, вместе с блоком магнитных головок помещены в герметически закрытый корпус. Один ЖД можно разбить при помощи специальной программы на несколько логических дисков и работать с ними как с разными ЖД.

   - Накопители на оптических дисках – двоичная информация представляется последовательным чередованием углублений и основного слоя. Оптические делятся на:  
не перезаписываемые лазерно-оптические диски или компакт-диски (CD-ROM).  
перезаписываемые CD-RW-диски имеют возможность перезаписывать информацию 
DVD -  
Магнитооптические диски (ZIP) — запись на такой диск производится под высокой температурой намагничиванием активного слоя, а считывание — лучом лазера.  

   Любое периферийное устройство  нуждается в специальных программах (для управления каждым устройством  - своя). Такие программы называются драйверами.

III.Драйверы

 

  Драйвер (от английского  drive - приводить в движение, управлять) - это компьютерная программа,  с помощью которой другая программа  (обычно операционная система)  получает доступ к аппаратному  обеспечению некоторого устройства. В общем случае, для использования любого устройства (как внешнего, так и внутреннего) необходим драйвер. Обычно с операционными системами поставляются драйверы для ключевых компонентов аппаратного обеспечения, без которых система не сможет работать. Однако для некоторых устройств (таких, как графическая плата или принтер) могут потребоваться специальные драйверы, обычно предоставляемые производителем устройства.

 

Структура драйвера.

 

   Операционная  система управляет некоторым  «виртуальным устройством», которое понимает стандартный набор команд. Драйвер переводит эти команды в команды, которые понимает непосредственно устройство. Эта идеология называется «абстрагирование от аппаратного обеспечения».

   Впервые в отечественной  вычислительной технике подобный подход появился в серии ЕС ЭВМ, а такого рода управляющие программы назывались канальными программами. 
   Драйвер состоит из нескольких функций, которые обрабатывают определенные события операционной системы. Обычно это 7 основных событий: 
1)Загрузка драйвера. Тут драйвер регистрируется в системе, производит первичную инициализацию и т. п.; 
2)Выгрузка. Драйвер освобождает захваченные ресурсы — память, файлы, устройства и т. п.; 
3)Открытие драйвера. Начало основной работы. Обычно драйвер открывается программой как файл;

4)Чтение; 
5)Запись: программа читает или записывает данные из/в устройство, обслуживаемое драйвером; 
6)Закрытие: операция, обратная открытию, освобождает занятые при открытии ресурсы и уничтожает дескриптор файла; 
7)Управление вводом-выводом. Зачастую драйвер поддерживает интерфейс ввода-вывода, специфичный для данного устройства. С помощью этого интерфейса программа может послать специальную команду, которую поддерживает данное устройство.

 

IV. Принципы фон Неймана

 

   -Широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана».

   Наличие заданного  набора исполняемых команд и программ было характерной чертой первых компьютерных систем. Сегодня подобный дизайн применяют с целью упрощения конструкции вычислительного устройства. Так, настольные калькуляторы, в принципе, являются устройствами с фиксированным набором выполняемых программ. Их можно использовать для математических расчётов, но невозможно применить для обработки текста и компьютерных игр, для просмотра графических изображений или видео. Изменение встроенной программы для такого рода устройств требует практически полной их переделки, и в большинстве случаев невозможно. Впрочем, перепрограммирование ранних компьютерных систем всё-таки выполнялось, однако требовало огромного объёма ручной работы по подготовке новой документации, перекоммутации и перестройки блоков и устройств и т. п.

   Всё изменила  идея хранения компьютерных программ  в общей памяти. Ко времени  её появления использование архитектур, основанных на наборах исполняемых инструкций, и представление вычислительного процесса как процесса выполнения инструкций, записанных в программе, чрезвычайно увеличило гибкость вычислительных систем в плане обработки данных. Один и тот же подход к рассмотрению данных и инструкций сделал лёгкой задачу изменения самих программ.

   В 1946 году трое учёных Артур Бёркс, Герман Голдстайн и Джон фон Нейман опубликовали статью «Предварительное рассмотрение логического конструирования электронного вычислительного устройства». В статье обосновывалось использование двоичной системы для представления данных в ЭВМ (преимущественно для технической реализации, простота выполнения арифметических и логических операций-до этого машины хранили данные в десятичном виде), выдвигалась идея использования общей памяти для программы и данных. Имя фон Неймана было достаточно широко известно в науке того времени, что отодвинуло на второй план его соавторов, и данные идеи получили название «принципы фон Неймана».