Архитектура ПЭВМ

Компьютер - это многофункциональное электронное устройство, предназначенное для накопления, обработки и передачи информации.

В основу построения большинства компьютеров положены принципы, сформулированные Джоном фон Нейманом:

1. Принцип программного управления - программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

2. Принцип однородности памяти - программы и данные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.

3. Принцип адресности - основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек.

Под архитектурой компьютера понимается его логическая организация, структура и ресурсы, т.е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных.

Архитектура современных персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе. Модульный принцип позволяет пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный принцип обмена информацией. Все контроллеры устройств взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, называемую системной шиной. Системная шина выполняется в виде печатного мостика на материнской плате.

Системная шина является основной интерфейсной системой компьютера, обеспечивающей сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

- между микропроцессором и основной памятью;

- между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

- между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств.

В состав микропроцессора входят следующие устройства:

1. Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.

2. Устройство управления координирует взаимодействие различных частей компьютера. Выполняет следующие основные функции:

- формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполнения различных операций;

- формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера;

- получает от генератора тактовых импульсов опорную последовательность импульсов.

3. Микропроцессорная память предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно в ближайшие такты работы машины. Интерфейсная система микропроцессора предназначена для связи с другими устройствами компьютера и включает в себя:

- внутренний интерфейс микропроцессора;

- буферные запоминающие регистры;

- схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной. (Порт ввода-вывода - это аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство).

К микропроцессору и системной шине наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора. К ним относятся математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.

Математический сопроцессор используется для ускорения выполнения операций над двоичными числами с плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для вычисления тригонометрических функций. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно с основным микропроцессором, но под управлением последнего. В результате ускорение выполнения операций происходит в десятки раз.

Порты ввода-вывода всех устройств через соответствующие разъемы (слоты) подключаются к шине либо непосредственно, либо через специальные контроллеры (адаптеры).

Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками компьютера и состоит из оперативно- запоминающего устройства (ОЗУ) и постоянно запоминающего устройства (ПЗУ)

Внешняя память используется для долговременного хранения информации, которая может быть в дальнейшем использована для решения задач.

Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических символов, частота которых задает тактовую частоту компьютера. Промежуток времени между соседними импульсами определяет такт работы машины.

Источник питания - это блок, содержащий системы автономного и сетевого питания компьютера.

Таймер - это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие автоматический съем текущего момента времени. Таймер подключается к автономному источнику питания и при отключении компьютера от сети продолжает работать.

Внешние устройства компьютера обеспечивают взаимодействие компьютера с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими компьютерами.

Основными функциональными характеристиками персонального компьютера являются:

1) Производительность, быстродействие, тактовая частота.

2) Разрядность микропроцессора и кодовых шин интерфейса

Разрядность - это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК.

3) Типы системного и локальных интерфейсов.

Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды.

Персональные компьютеры имеют 4 иерархических уровня памяти:

- микропроцессорная память;

- основная память;

- регистровая КЭШ-память;

- внешняя память.

Микропроцессорная память рассмотрена выше.

Функции памяти:

- прием информации от других устройств;

- запоминание информации;

- выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Микропроцессорная память предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно в ближайшие такты работы машины. Микропроцессорная память строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия компьютера, так как основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.

Основная память содержит два вида запоминающих устройств:

- ПЗУ - постоянное запоминающее устройство;

- ОЗУ - оперативное запоминающее устройство.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) - предназначено для хранения постоянной программной и справочной информации.

Данные в ПЗУ заносятся при изготовлении. Информацию, хранящуюся в ПЗУ можно только считывать, но не изменять. В ПЗУ находятся:

- программа управления работой процессора;

- программа запуска и останова компьютера;

- программы тестирования устройств, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы его блоков;

- программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью;

- информация о том, где на диске находится операционная система.

ПЗУ является энергонезависимой памятью, при отключении питания информация в нем сохраняется.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) - предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом компьютером в текущей период времени.

Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к памяти). Все ячейки памяти объединены в группы по 8 бит (1 байт), каждая такая группа имеет адрес, по которому к ней можно обратиться.

ОЗУ является энергозависимой памятью, при выключении питания информация в нем стирается.

Объем оперативной памяти - важная характеристика компьютера, она влияет на скорость работы персонального компьютера и работоспособность программ.

Кроме ПЗУ и ОЗУ на системной плате имеется и энергонезависимая CMOS¾память, постоянно питающаяся от своего аккумулятора. В ней хранятся параметры конфигурации компьютера, которые проверяются при каждом включении системы. Это полупостоянная память. Для изменения параметров конфигурации компьютера в BIOS содержится программа настройки конфигурации компьютера - SETUP.

Для ускорения доступа к оперативной памяти используется специальная сверхбыстродействующая КЭШ-память, которая располагается как бы "между" микропроцессором и оперативной памятью, в ней хранятся копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. Регистры КЭШ-памяти недоступны для пользователя.

В КЭШ-памяти хранятся данные, которые микропроцессор получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Быстрый доступ к этим данным и позволяет сократить время выполнения очередных команд программы.

Микропроцессоры, начиная от МП 80486, имеют свою встроенную кэш-память. Микропроцессоры Pentium имеют кэш-память отдельно для данных и отдельно для команд. Для всех микропроцессоров может использоваться дополнительная кэш-память, размещаемая на материнской плате вне микропроцессора.

Внешняя память относится к внешним устройствам компьютера и используется для долговременного хранения любой информации, которая может потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера.

Устройства внешней памяти - внешние запоминающие устройства - весьма разнообразны. Их можно классифицировать по виду носителя, по типу конструкции, по принципу записи и считывания информации, по методу доступа и т.д.

Наиболее распространенными внешними запоминающими устройствами являются:

- накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);

Рис.4. Конструкция жёсткого диска

Накопители на дисках - это устройства для чтения / записи с магнитных или оптических носителей. Назначение этих накопителей - хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство.

В качестве запоминающей среды у магнитных дисков используются магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два магнитных состояния - два направления намагниченности. Каждому из этих состояний ставятся в соответствие двоичные цифры 0 или 1(единица).Информация на магнитные диски записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей - дорожек (треков). Количество дорожек на диске и их информационная емкость зависят от типа диска, конструкции накопителя, качества магнитных головок и магнитного покрытия.

Каждая дорожка разбита на сектора. В одном секторе обычно размещается 512 байт данных. Обмен данными между накопителем на магнитном диске и оперативной памятью осуществляется последовательно целым числом секторов(кластерами).

Рис.6. Разметка диска

Для жесткого магнитного диска используется также понятия цилиндра - совокупности дорожек, находящихся на одинаковом расстоянии от центра диска.

Диски относятся к машинным носителям информации с прямым доступом. Это означает, что компьютер может обратиться к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию, непосредственно, где бы ни находилась головка записи/чтения накопителя.

Все диски, и магнитные, и оптические, характеризуются своим диаметром (форм-фактором). Накопители на жестких магнитных дисках получили название "винчестер".

Этот термин возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска, имевшего 30 дорожек по 30 секторов каждая, что случайно совпало с калибром охотничьего ружья "Винчестер. В последнее время появились новые накопители на магнитных дисках ¾ ZIP-диске - переносные устройства.

Кроме основной своей характеристики — информационной емкости, дисковые накопители характеризуются и двумя временными показателями:

- временем доступа;

- скоростью считывания подряд распложенных байтов.

Внешние (периферийные) устройства персонального компьютера составляют важнейшую часть любого вычислительного комплекса. Стоимость внешних устройств в среднем составляет около 80 - 85% стоимости всего комплекса. Внешние устройства обеспечивают взаимодействие компьютера с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими компьютерами.

Внешние устройства подключаются к компьютеру через специальные разъемы - порты ввода-вывода Порты ввода-вывода бывают следующих типов:

- параллельные (обозначаемые LPT1 - LPT4) обычно используются для подключения принтеров;

- последовательные (обозначаемые COM1 - COM4) - обычно к ним подключаются мышь, модем и другие устройства.

К внешним устройствам относятся:

- устройства ввода информации:

- устройства вывода информации;

- средства связи и телекоммуникации.

К устройствам ввода информации относятся:

- клавиатура - устройство для ручного ввода в компьютер числовой, текстовой и управляющей информации;

- графические планшеты (дигитайзеры) - для ручного ввода графической информации, изображений, путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняется считывание координат его местоположения и ввод этих координат в компьютер;

- сканеры (читающие автоматы) - для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в компьютер машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей;

- устройства указания (графические манипуляторы) - для ввода графической информации на экран монитора путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в компьютер (джойстик, мышь, трекбол, световое перо).

- сенсорные экраны - для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в компьютер).

К устройствам вывода информации относятся:

- графопостроители (плоттеры) - для вывода графической информации на бумажный носитель;