2014-02-09
1123
Тема 3. Устройство персонального компьютера.
В данном разделе рассматриваются следующие темы: основные и периферийные устройства компьютера, организация интерфейса между процессором и оперативной памятью, система команд процессора, организация памяти в компьютере, понятие архитектуры компьютера.
Состав оборудования персонального компьютера (англ. HardWare) называется его аппаратной конфигурацией. Хотя ее можно гибко изменять при необходимости, все же существует понятие базовой конфигурации. В настоящее время, как правило, в базовую конфигурацию входят четыре устройства:
• системный блок;
• монитор;
• клавиатура;
• мышь.
Именно в таком комплекте обычно поставляются компьютеры. Понятие базовой конфигурации тоже может меняться.
Системный блок представляет собой основной узел компьютера, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, – внешними. Внутри системного блока размещаются блок питания, системная или материнская плата, отсеки для накопителей: жестких и гибких магнитных дисков, оптических дисков и т.д. На фронтальной панели системного блока находятся кнопки включения и перезагрузки, индикаторы питания и накопителей, гнёзда для наушников, микрофона и т.д. Внешние дополнительные устройства, предназначены для ввода, вывода и длительного хранения данных. Их еще называют периферийными.
Материнская плата – основная плата персонального компьютера. Назначение материнской платы – соединение всех узлов компьютера в одно устройство. На ней размещаются следующие устройства:
· процессор – основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций;
· микропроцессорный комплект (чипсет) – набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и выполняющих роль связующего компонента, обеспечивающего совместное функционирование подсистем памяти, ЦП, ввода/вывода и других.
· шины – наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;
· оперативная память – набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен;
· постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) –микросхема, предназначенная длядлительного хранения данных, в том числе и когда компьютер выключен. Как правило, хранит программное обеспечение, которое исполняется сразу после включения питания, содержит BIOS;
· разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты).
Центральный процессор (ЦП, англ.CPU) – это основной рабочий компонент компьютера, который
а) управляет вычислительным процессом,
б) координирует работу всех устройств компьютера.
Он состоит из двух частей: арифметико-логического устройства (АЛУ), включающего схемы для обработки данных, и устройства у правления (УУ), которое содержит схемы, координирующие деятельность всего компьютера. Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.
Для временного запоминания информации в ЦП имеются ячейки, называемые регистрами. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру. Регистр – это совокупность триггеров, которые связаны между собой определенным образом.
Регистры бывают двух типов: общего назначения и специальные регистры. Регистры общего назначения используются для временного хранения данных, обрабатываемых в ЦП. В них сохраняются входные данные для схем АЛУ и результаты, полученные при выполнении операций.
К регистрам специального назначения относятся сумматор - регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции, и два регистра УУ: регистр команд, в котором сохраняетсякод выполняемой команды, и счетчик адреса команд, хранящий адрес следующейкоманды. Схематично устройство ЦП отображено на рис. 2.1.
 |
Рис.2.1. Устройство ЦП.
С ЦП тесно связано понятие команда. Команда - это описание элементарной операции, которую должен выполнить компьютер.
При выполнении каждой команды ЭВМ проделывает определенные стандартные действия:
1) согласно содержимому счетчика адреса команд, считывается очередная команда программы, ее код заносится на хранение в регистр команд УУ;
2) счетчик адреса команд автоматически изменяется так, чтобы в нем содержался адрес следующей команды;
3) считанная в регистр команд операция расшифровывается и выполняется. Для этого необходимо:
а) организовать передачу данных из памяти в регистры общего назначения
б) указать арифметико-логическому устройству, в каких регистрах содержатся необходимые входные данные
в) активизировать соответствующие электронные схемы в АЛУ
г) указать АЛУ тот регистр, в который должен быть помещен результат.
Оперативная память (ОП). Данные в современных компьютерах хранятся в виде комбинации двоичных цифр 0 и 1. В компьютере для хранения данных используется большой набор электронных схем, каждая из которых способна запомнить одну двоичную цифру. Электронные схемы основной памяти реализуются в современных вычислительных машинах на базе триггеров или конденсаторов.
Запоминающие схемы основной памяти машины организованы в небольшие блоки, которые называются ячейками памяти. Как правило, размер ячейки памяти составляет во-
семь бит, что соответствует одному байту.
Каждая ячейка памяти имеет свой числовой адрес. В большинстве современных процессоров 32 разряда предоставляются для хранения адреса, а это означает, что всего независимых адресов может быть 
, т.е. возможна непосредственная адресация к полю памяти размером 
байт = 4 Гбайт. Однако это совсем не означает, что именно столько оперативной памяти непременно должно быть в компьютере. Предельный
размер оперативной памяти определяется микропроцессорным комплектом материнской платы и обычно не может превосходить нескольких Гбайт. Минимальный объем памяти определяется требованиями операционной системы и для современных компьютеров составляет 128 Мбайт.
Поскольку основная память машины организована в виде прямо адресуемых ячеек, это дает возможность обращаться к любой ячейке памяти напрямую. По этой причине основную память машины часто называют памятью с произвольной выборкой (англ. random access memory, RAM).
Физически оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках, называемых модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате. Основными характеристиками модулей оперативной памяти являются объем памяти и скорость передачи данных. Сегодня наиболее распространены модули объемом 128 – 512 Мбайт.
Интерфейс между ЦП и ОП. Для передачи битовых комбинаций между ЦП и основной памятью компьютера эти устройства соединяются группой проводов (рис. 2.2), которая называется шиной (англ. bus). Для считывания данных из памяти центральный процессор по шине управления, ее еще называют командной шиной, передает сигнал считывания, а по шине адресов адрес необходимой ячейки памяти. При записи данных в память ЦП направляет данные, указав адрес ячейки назначения, и сопровождает их сигналом записи.
Рис.2.2.
Шина также используется и для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ. Использование шины схематично отображено на рис.2.3. Она состоит из трех частей:
• шина данных, по которой передается информация;
• адресная шина, определяющая, куда передаются данные;
• командная шина, регулирующая процесс обмена информацией.
Описанную схему легко пополнять новыми устройствами - это свойство называют открытостью архитектуры, которая позволяет свободно выбирать состав внешних устройств в зависимости от круга решаемых задач.
Рис.2.3.
Адресная шина. У современных персональных компьютеров наиболее распространена 32-разрядная адресная шина, то есть она состоит из 32 параллельных проводников. В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комбинация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования
данных из ячейки в один из своих регистров или из регистра в адресуемую область памяти.
Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В современных персональных компьютерах шина данных, как правило, 64-разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов данных.
Шина управления. Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор из оперативной памяти, где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. Самые простые команды укладываются в один байт, однако есть и такие, для которых нужно два, три и более байтов. В большинстве современных процессоров шина команд 32-разрядная, хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже 128-разрядные.
Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора.
Система команд любой ЭВМ обязательно содержит следующие группы команд обработки информации.
1. Команды передачи данных, копирующие информациюиз одного места в другое.
2. К арифметическим операциям обычно относится сложение. Вычитание в большинстве случаев сводится к сложению. Умножение и деление во многих ЭВМ выполняются по специальным программам.
3. Логические операции, позволяют компьютеру анализировать обрабатываемую информацию. Простейшими примерами могут служить сравнение, а также известные логические операции И, ИЛИ, НЕ.
4. Сдвиги двоичного кода влево и вправо. В некоторых случаях умножение и деление вообще может быть заменено сдвигом.
5. Команды ввода и вывода информации для обмена с внешними устройствами. В некоторых ЭВМ внешние устройства являются специальными служебными адресами памяти, поэтому ввод и вывод осуществляется с помощью команд передачи.
6. Команды управления, реализующие нелинейные алгоритмы. Сюда прежде всего следует отнести условный и безусловный переход, а также команды обращения к подпрограмме. Некоторые ЭВМ имеют специальные команды для организации циклов, но это не обязательно: цикл может быть сведен к той или иной комбинации условного и безусловного переходов.
Команда ЭВМ обычно состоит из двух частей – операционной и адресной. Операционная часть указывает, какое действие необходимо выполнить с информацией. Адресная часть описывает, где используемая информация хранится. У команд управления работой компьютера адресная часть может отсутствовать.
Код операции можно представить себе как некоторый условный номер в общем списке системы команд.
Существуют процессоры с расширенной системой команд ( англ .CISC – Complex Instruction Set Computing) и сокращенной ( англ. RISC – Reduced Instmction Set Computing). Чем шире набор системных команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее формальная запись команды, тем больше средняя продолжительность выполнения одной команды, измеренная в тактах работы процессора. При RISC процессореколичество команд в системе намного меньше и каждая из них выполняется намного быстрее. Недостатком сокращенного набора команд является то, что сложные операции приходится комбинировать иногда далеко не эффективной последовательностью простейших команд сокращенного набора.
В результате конкуренции между двумя подходами к архитектуре сложилось следующее распределение их сфер применения:
• CISC - процессоры используют в универсальных вычислительных системах;
• RISC -процессоры используют в специализированных вычислительных системах или устройствах, ориентированных на выполнение единообразных операций.
Если два процессора имеют одинаковую систему команд, то они полностью совместимы на программном уровне. Это означает, что программа, написанная для одного процессора, может выполняться и другим процессором. Процессоры, имеющие разные системы команд, как правило, несовместимы на программном уровне.
