Структура персонального компьютера

Внутримашинный системный интерфейс — система связи и сопряжения узлов и блоков ЭВМ между собой — представляет собой совокупность электрических линий связи (проводов), схем сопряжения с компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов.

Существует два варианта организации  внутримашинного интерфейса:

1. Многосвязный интерфейс: каждый блок ПК связан с прочими блоками своими локальными проводами; интерфейс применяется, как правило, только в простейших бытовых устройствах.
2. Односвязный интерфейс: все блоки ПК связаны друг с другом через общую или системную шину.

В подавляющем большинстве современных  ПК в качестве системного интерфейса используется системная шина. Структура  и состав системной шины были рассмотрены  ранее. Важнейшими функциональными  характеристиками системной шины являются: количество обслуживаемых ею устройств  и ее пропускная способность, т. е. максимально  возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит  от ее разрядности (есть шины 8-, 16-, 32- и 64- разрядные) и тактовой частоты, на которой шина работает.

2. Функциональные устройства ПК

Основными характеристиками ПК являются:

1. Быстродействие.
2. Производительность.
3. Тактовая частота.

Единицами измерения быстродействия служат:

• МИПС (MIPC — Vega Instruction Per Second) — миллион операций над числами с фиксированной запятой (точкой);
• МФЛОПС (MFLOPS — Mega Floating Operations Second) — миллион операций над числами с плавающей запятой (точкой);
• КОПС (KOPS — Kilo Operations Per Second) для низко производительных ЭВМ — тысяча неких усредненных операций над числами;
• ГФЛОПС (GFLOPS — Giga Floating Operations Per Second) — миллиард операций в секунду над числами с плавающей запятой (точкой).

Оценка производительности ЭВМ  всегда приблизительная, ибо при  этом ориентируются на некоторые  усредненные или, наоборот, на конкретные виды операций. Реально при решении  различных задач используются и  различные наборы операций. Поэтому  для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины. И так как каждая операция требует для своего выполнения вполне определенного количество тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции.

Микропроцессоры

Микропроцессор, иначе, центральный  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. Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

• арифметико-логическое устройство;
• шины данных и шины адресов;
• регистры;
• счетчики команд;
• кэш — очень быструю память малого объема;
• математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

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 плоский керамический корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы  его можно было присоединить к  системной плате компьютера. В  вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называются многопроцессорными.

Первый микропроцессор был выпущен  в 1971 г. фирмой Intel (США) — МП 4004. В настоящее время выпускается несколько сотен различных микропроцессоров, но наиболее популярными и распространенными являются микропроцессоры фирмы Intel и AMD.

Структура микропроцессора

Устройство управления является функционально  наиболее сложным устройством ПК. Оно вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам  инструкций во все блоки машины. Сюда включаются:

• Регистр команд — запоминающий регистр, в котором хранится код команды: код выполняемой операции и адреса операндов, участвующих в операции. Регистр команд расположен в интерфейсной части МП, в блоке регистров команд.
• Дешифратор операций — логический блок, выбирающий в соответствии с поступающим из регистра команд кодом операции (КОП) один из множества имеющихся у него выходов.
• Постоянное запоминающее устройство микропрограмм — хранит в своих ячейках управляющие сигналы (импульсы), необходимые для выполнения в блоках ПК операций обработки информации. Импульс по выбранному дешифратором операции (в соответствии с кодом операции) считывает из ПЗУ микропрограмм необходимую последовательность управляющих сигналов.
• Узел формирования адреса (находится в интерфейсной части МП) — устройство, вычисляющее полный адрес ячейки памяти (регистра) по реквизитам, поступающим из регистра команд и регистров МПП.
• Кодовые шины данных, адреса и инструкций — часть внутренней шины микропроцессора. В общем случае УУ формирует управляющие сигналы для выполнения следующих основных процедур:
• выборки из регистра-счетчика адреса команды МПП адреса ячейки ОЗУ, где хранится очередная команда программы;
• выборки ИЗ ячеек ОЗУ кода очередной команды и приема считанной команды в регистр команд;
• расшифровки кода операции и признаков выбранной команды;
• считывания из соответствующих расшифрованному коду операции ячеек ПЗУ микропрограмм управляющих сигналов (импульсов), определяющих во всех блоках машины процедуры выполнения заданной операции, и пересылки управляющих сигналов в эти блоки;
• считывания из регистра команд и регистров МПП отдельных составляющих адресов операндов (чисел), участвующих в вычислениях, и формирования полных адресов операндов;
• выборки операндов (по сформированным адресам) и выполнения заданной операции обработки этих операндов;
• записи результатов операции в память;
• формирования адреса следующей команды программы.

Микропроцессорная память — память небольшой емкости, но чрезвычайно  высокого быстродействия (время обращения  к МПП, т. е. время, необходимое на поиск, запись или считывание информации из этой памяти, измеряется наносекундами). Она предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно в ближайшие такты работы машины участвующей в вычислениях; МПП используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Микропроцессорная память состоит из быстродействующих регистров с разрядностью не меньше машинного слова. Количество и разрядность регистров в разных микропроцессорах различны.

Порты ввода – вывода — это  пункты системного интерфейса ПК, через  которые МП обменивается информацией  с другими устройствами. Всего  портов у МП может быть 65536. Каждый порт имеет адрес — номер порта, соответствующий адресу ячейки памяти, являющейся частью устройства ввода-вывода, использующего этот порт, а не частью основной памяти компьютера. Порт устройства содержит аппаратуру сопряжения и два  регистра памяти — для обмена данными  и обмена управляющей информацией. Некоторые внешние устройства используют и основную память для хранения больших  объемов информации, подлежащей обмену. Многие стандартные устройства (НЖМД, НГМД, клавиатура, принтер, сопроцессор и др.) имеют постоянно закрепленные за ними порты ввода – вывода.

Схема управления шиной и портами  выполняет следующие функции:

• формирование адреса порта и управляющей информации для него (переключение порта на прием или передачу и др.);
• прием управляющей информации от порта, информации о готовности порта и его состоянии;
• организацию сквозного канала в системном интерфейсе для данных между портом устройства ввода – вывода и МП.

Последовательность  работы блоков ПК

Программа хранится во внешней памяти ПК. При запуске программы в  работу пользователь выдает запрос на ее исполнение в дисковую операционную систему (DOS — Disc Operation System) компьютера. Запрос пользователя — это ввод имени исполняемой программы в командную строку на экране дисплея. Главная программа DOS-Command обеспечивает перезапись машинной (исполняемой) программы из внешней памяти в ОЗУ, в которой находится начало (первая команда) этой программы.

После этого автоматически начинается выполнение команд программы друг за другом. Каждая программа требует  для своего исполнения нескольких тактов работы машины (такты определяются периодом следования импульсов от генератора тактовых импульсов). В первом такте  выполнения любой команды производятся считывание кода самой команды из ОЗУ по адресу, установленному в  регистре-счетчике адреса, и запись этого кода в блок регистров команд устройства управления. Содержание второго  и последующих тактов исполнения определяется результатами анализа  команды, записанной в блок регистров  команд, т. е. зависит уже от конкретной команды.

3. Запоминающие устройства ПК

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.

Широко используются и более  крупные производные единицы  объема памяти: Килобайт, Мегабайт, Гигабайт, а также, в последнее время, Терабайт и Петабайт.

Различают два основных вида памяти — внутреннюю и внешнюю. В состав внутренней памяти входят оперативная  память, кэш-память и специальная  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.

Оперативная память используется только для временного хранения данных и  программ, так как, когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной  памяти прямой — это означает, что  каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес. Объем ОЗУ обычно составляет 32 – 512 Мбайта, а для эффективной работы современного программного обеспечения желательно иметь не менее 256 Мбайт ОЗУ. Обычно ОЗУ исполняется из интегральных микросхем памяти DRAM (Dynamic RAM — динамическое ОЗУ). Микросхемы DRAM работают медленнее, чем другие разновидности памяти, но стоят дешевле.

Каждый информационный бит в DRAM запоминается в виде электрического заряда крохотного конденсатора, образованного  в структуре полупроводникового кристалла. Из-за токов утечки такие  конденсаторы быстро разряжаются, и  их периодически (примерно каждые 2 миллисекунды) подзаряжают специальные устройства. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh Memory). Современные микросхемы имеют ёмкость 1 – 16 Мбит и более. Они устанавливаются в корпуса и собираются в модули памяти.

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.

К устройствам специальной памяти относятся постоянная память (ROM), перепрограммируемая  постоянная память (Flash Memory), память CMOS RAM, питаемая от батарейки, видеопамять и некоторые другие виды памяти.

Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory — память только для чтения) — энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом “зашивается” в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать. Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) — энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого с дискеты.

Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти — модуль BIOS. BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода) — совокупность программ, предназначенных для:

• автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера;
• загрузки операционной системы в оперативную память.

Для хранения графической информации используется видеопамять. Видеопамять (VRAM) — разновидность оперативного ЗУ, в котором хранятся закодированные изображения.

Внешняя память (ВЗУ) предназначена  для длительного хранения программ и данных, и целостность её содержимого  не зависит от того, включен или  выключен компьютер. В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором. В состав внешней памяти компьютера входят:

• накопители на жёстких магнитных дисках;
• накопители на гибких магнитных дисках;
• накопители на компакт-дисках;
• накопители на магнитооптических компакт-дисках;
• накопители на магнитной ленте (стримеры) и др.

Гибкий диск, дискета (англ. floppy disk) — устройство для хранения небольших объёмов информации, представляющее собой гибкий пластиковый диск в защитной оболочке. Используется для переноса данных с одного компьютера на другой и для распространения программного обеспечения.