Архитектура персонального компьютера

1. Архитектура ПК

 

 

1.1 Основная компоновка  частей компьютера и связь между ними

При описании архитектуры компьютера определяется состав входящих в него компонент, принципы их взаимодействия, а также их функции и характеристики.

Практически все универсальные  ЭВМ отражают классическую неймановскую архитектуру, представленную на схеме. Эта схема во многом характерна как  для микроЭВМ, так и для мини ЭВМ и ЭВМ общего назначения.

Рассмотрим устройства подробнее.

Основная часть системной платы - микропроцессор (МП) или 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 компонент можно выделить:

A). АЛУ - арифметико-логическое устройство, предназначенное для выполнения  арифметических и логических  операций над данными и адресами  памяти;

Б). Регистры или микропроцессорная  память - сверхоперативная память, работающая со скоростью процессора, АЛУ работает именно с ними;

B). УУ - устройство управления - управление  работой всех узлов МП 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). Эти колебания и задают темп работы всей системной платы;

Г). СПр - система прерываний - специальный регистр, описывающий состояние МП, позволяющий прерывать работу МП в любой момент времени для немедленной обработки некоторого поступившего запроса, или постановки его в очередь; после обработки запроса СПр обеспечивает восстановление прерванного процесса;

Д). Устройство управления общей шиной - интерфейсная система.

Для расширения возможностей ПК и  повышения функциональных характеристик  микропроцессора дополнительно  может поставляться математический сопроцессор, служащий для расширения набора команд МП. Например, математический сопроцессор IBM-совместимых ПК расширяет  возможности МП для вычислений с  плавающей точкой; сопроцессор в  локальных сетях (LAN-процессор) расширяет  функции МП в локальных сетях.

Характеристики процессора:

быстродействие (производительность, тактовая частота) - количество операций, выполняемых в секунду.

разрядность - максимальное количество разрядов двоичного числа, над которыми одновременно может выполняться машинная операция. 

1.2 Понятие архитектуры  ЭВМ. Принципы фон Неймана

Архитектурой ПК называется его  описание на некотором общем уровне включающее описание пользовательских возможностей программирования систем команд систем адресации организации  памяти. Архитектура определяет принцип  действия, информационные связи взаимное соединение основных логических узлов  компьютера: процессора; оперативного ЗУ, Внешних ЗУ и периферийных устройств.

Классические принципы построения архитектуры ЭВМ были предложены в 1946 году и известны как принципы фон Неймана".

Они таковы:

Использование двоичной системы представления  данных

Авторы убедительно продемонстрировали преимущества двоичной системы для  технической реализации, удобство и  простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. ЭВМ стали  обрабатывать и нечисловые виды информации - текстовую, графическую, звуковую и  другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.

Принцип хранимой программы Нейман первым догадался, что программа  может также храниться в виде нулей и единиц, причем в той  же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы  между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать  для себя программу в соответствии с результатами вычислений. Устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) в современных компьютерах  объединены в один блок - процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств.

Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее устройство у современных компьютеров "многоярусно" и включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

ОЗУ - это устройство, хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть необходимых  для нее данных, некоторые управляющие  программы).

ВЗУ - устройства гораздо большей  емкости, чем ОЗУ, но существенно  более медленны.

Принцип последовательного выполнения операций:

Структурно основная память состоит  из пронумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность  давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них  значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

Принцип произвольного доступа  к ячейкам оперативной памяти Программы и данные хранятся в  одной и той же памяти. Поэтому  ЭВМ не различает, что хранится в  данной ячейке памяти - число, текст  или команда. Над командами можно  выполнять такие же действия, как  и над данными.

BIOS - базовая система ввода-вывода, хранящаяся в ПЗУ и предназначенная  для выполнения базовых аппаратных  функций с учетом особенностей  аппаратной части конкретной  ПЭВМ. Этим обеспечивается независимость  операционной системы и прикладных  программ от особенностей ПЭВМ, на которой они функционируют.

1.3 BIOS. Последовательность загрузки ЭВМ

BIOS включает в себя программную  поддержку стандартных ресурсов  ПЭВМ и обеспечивает диагностику  аппаратных средств, их конфигурирование  и вызов загрузчика операционной  системы. Обычно BIOS привязан к  конкретному типу системной платы.

В последнее время BIOS чаще всего  хранят во Flash памяти, допускающей перезапись содержимого. Это позволяет обновлять версии BIOS, однако, оборотной стороной этого является возможность вывода ПЭВМ из строя из-за порчи BIOS при неправильной его перезаписи или под воздействием вирусов.

Для обновления BIOS новые версии следует  получать непосредственно от изготовителей  системной платы или с сайтов, хранящих такие версии. Собственно производители BIOS (фирмы AMI, Award, Phoenix) под конкретные платы их не настраивают: Этой настройкой (доработкой) базовых версий BIOS и занимаются изготовители системных плат.

Функции BIOS разделяются на следующие  группы:

Инициализация и тестирование аппаратных средств по включении питания - POST (Power On Self Test)

Настройка и конфигурирование аппаратных средств и системных ресурсов- BIOS Setup

Загрузка операционной системы  с дисковых носителей - Bootstrap Loader

Обслуживание аппаратных прерываний от системных устройств (таймера, клавиатуры, дисков) - BIOS Hardware Interrupts

Отработка базовых функций программных  обращений (сервисов) к системным  устройствам -BIOS Services

Все эти функции исполняет системный  модуль System BIOS, хранящийся в микросхеме ПЗУ или флэш-памяти, установленной на системной плате.

Система CMOS (энергозависимая память CМОS). Особенность этой памяти состоит  в том, что она питается от специального источника питания, независимо включен  или выключен основной источник питания. В ней содержится информация о  гибких дисках, о жестком диске, процессоре, а также показания системных  часов. Запуск BIОS

При включении компьютера по адресной шине процессора выставляется стартовый  адрес. Процессор обращается по этому  адресу за первой командой. После чего начинает работать под управлением  программы. Так как, в ОЗУ нет  никакой информации то стартовый  адрес указывается на ПЗУ. Программы  находящихся в ПЗУ образуют базовую  система ввода-вывода. Функция этой системы осуществляет проверку состава  и работоспособности компьютерной системы, а также обеспечивает взаимодействие с такими устройствами, как клавиатура, монитора и дисковода. Система CMOS (энергозависимая  память CМОS). Особенность этой памяти состоит в том, что она питается от специального источника питания, независимо включен или выключен основной источник питания. В ней  содержится информация о гибких дисках, о жестком диске, процессоре, а  также показания системных часов.

Запуск BIОS Работа программ, записанных в микросхеме ВIОS, отображается на черном экране бегущими белыми строчками. В этот момент компьютер проверяет свои устройства. Прежде всего выполняется проверка оперативной памяти (сколько её и вся ли она в порядке). Проверяется наличие жестких дисков и дисковода гибких дисков, а также наличие клавиатуры. Если что-то не работает, программы, выполняющие проверку, доложат о неисправности. Если всё в порядке, то программы ВIОS заканчивают свою работу и напоследок дают команду загрузить с жесткого диска в оперативную память специальный пакет программ, который называется операционной системой. После того как этот пакет загружен, он начинает работу и отныне всё, что мы делаем с компьютером, происходит под управлением операционной системы. Теперь мы имеем дело только с ней и можем забыть, что у компьютера есть процессор, что ему нужны какие-то инструкции и данные. Отныне всю работу с процессором и другими устройствами берёт на себя операционная система, а нам остается только научится работать с ней, а точнее говоря с тем пакетом программ,

загрузить и с гибкого диска. Для этого нужен специальный  гибкий диск, который называют системным. Таким методом запускают компьютер  при устранении неисправностей. 

1.4 Назначение, функции базовых  программных средств, исполняемая  программа

 

 

Программное обеспечение Программы - это упорядоченные последовательности команд. Конечная цель любой компьютерной программы - управление аппаратными средствами. Даже если на первый взгляд программа никак не взаимодействует с оборудованием, не требует никакого ввода данных с устройств ввода и не осуществляет вывод данных на устройства вывода, все равно ее работа основана на управлении аппаратными устройствами компьютера.

Программное и аппаратное обеспечение  в компьютере работают в неразрывной  связи и в непрерывном взаимодействии. Несмотря на то что мы рассматриваем  эти две категории отдельно, нельзя забывать, что между ними существует диалектическая связь, и раздельное их рассмотрение является по меньшей  мере условным.

Состав программного обеспечения  вычислительной системы называют программной  конфигурацией. Между программами, как и между физическими узлами и блоками существует взаимосвязь - многие программы работают, опираясь на другие программы более низкого  уровня, то есть, мы можем говорить о  межпрограммном интерфейсе. Возможность  существования такого интерфейса тоже основана на существовании технических  условий и протоколов взаимодействия, а на практике он обеспечивается распределением программного обеспечения на несколько  взаимодействующих между собой  уровней. Уровни программного обеспечения  представляют собой пирамидальную  конструкцию. Каждый следующий уровень  опирается на программное обеспечение  предшествующих уровней. Такое членение удобно для всех этапов работы с  вычислительной системой, начиная с  установки программ до практической эксплуатации и технического обслуживания. Обратите внимание на то, что каждый вышележащий уровень повышает функциональность всей системы. Так, например, вычислительная система с программным обеспечением базового уровня не способна выполнять  большинство функций, но позволяет  установить системное программное  обеспечение.

Базовый уровень. Самый низкий уровень программного обеспечения представляет базовое программное обеспечение. Оно отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Как правило, базовые программные средства непосредственно входят в состав базового оборудования и хранятся в специальных микросхемах, называемых постоянными запоминающими устройствами (ПЗУ - Read Only Memory, ROM). Программы и данные записываются ("прошиваются") в микросхемы ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены в процессе эксплуатации.

В тех случаях, когда изменение  базовых программных средств  во время эксплуатации является технически целесообразным, вместо микросхем ПЗУ  применяют перепрограммируемые  постоянные запоминающие устройства (ППЗУ - Erasable and Programmable Read Only Memory, EPROM). В этом случае изменение содержания ПЗУ можно выполнять как непосредственно в составе вычислительной системы (такая технология называется флэш - технологией), так и вне ее, на специальных устройствах, называемых программаторами.

1.5 Виды, назначение, функции,  специфика периферийных устройств