Понятия архитектуры и структуры ПК. Основные блоки ПК и их назначение.

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

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 иные 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.

Компьютеры, построенные на этих принципах, имеют классическую архитектуру.

Архитектура компьютера определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера, к которым относятся: центральный процессор; основная память;

внешняя память; периферийные устройства.

Конструктивно персональные компьютеры выполнены в виде центрального системного блока, к которому через специальные разъемы присоединяются другие устройства. В состав системного блока входят все основные узлы компьютера: системная плата; блок питания; накопитель на жестком магнитном диске; накопитель на гибком магнитном диске; накопитель на оптическом диске; разъемы для дополнительных устройств. На системной (материнской) плате в свою очередь размещаются: микропроцессор; математический сопроцессор; генератор тактовых импульсов; микросхемы памяти; контроллеры внешних устройств; звуковая и видеокарты; таймер.

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.

Микропроцессор — это центральный блок персонального компьютера, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

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.

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

Основная памят ь предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками компьютера.

Внешняя памят ь 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 машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими компьютерами.

7. Внутримашинный системный интерфейс ПК. Системная шина, ее основные функции, состав, назначение и параметры. 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.

Существуют два варианта организации внутримашинного интерфейса.

1. Многосвязный интерфейс: каждый блок ПК связан с прочими блоками своими локальными проводами; многосвязный интерфейс применяется только в простейших бытовых ПК.

2. 2. Односвязный интерфейс: все блоки ПК связаны друг с другом через общую или системную шину.

В большинстве современных ПК в качестве системного интерфейса используется системная шина. 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 шиша работает. В качестве системной шины используются:

1. шины расширений - шины общего назначения, позволяющие подключать большое число самых разнообразных устройств;

2. локальные шины, специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса.

Системная шина. Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина включает в себя:

1. кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;

2. кодовую шину адреса (КША), включающую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;

3. кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины;

4. шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.

В основе устройства ЭВМ лежит системная шина, которая служит для обмена командами и данными между компонентами ЭВМ, расположенными на материнской плате. ПУ подключаются к шине через контроллеры. Такая архитектура ЭВМ называется открытой, так как легко может быть расширена за счет подключения новых устройств. Передача информации по системной шине также осуществляется по тактам. Системная шина включает в себя:

- кодовую шину данных для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда из ОЗУ в МПП и обратно; имеет 64 разряда;

- кодовую шину адреса для параллельной передачи всех разрядов адреса ячейки ОЗУ; имеет 32 разряда;

- кодовую шину инструкций для передачи команд (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки ЭВМ; простые команды кодируются одним байтом, но есть и команды, кодируемые двумя, тремя и более байтами; имеет 32 разряда;

- шину питания для подключения блоков ЭВМ к системе энергопитания.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

1) между МП и ОЗУ;

2) между МП и контроллерами устройств;

3) между ОЗУ и внешними устройствами (ВЗУ и ПУ, в режиме прямого доступа к памяти).

Все устройства подключаются к системной шине через контроллеры – устройства, которые обеспечивают взаимодействие внешних устройств и системной шины.

Чтобы освободить МП от управления обменом информацией между ОЗУ и внешними устройствами, например при чтении или записи информации, предусмотрен режим прямого доступа в память (DMA – Direct Memory Access). Таким образом, МП может заниматься выполнением других команд, не отвлекаясь на копирование информации между ОЗУ и внешними устройствами.

Характеристиками системной шины являются количество обслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность, то есть максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит от следующих параметров:

- разрядность или ширина шины – количество бит, которое может быть передано по шине одновременно (существуют 8-, 16-, 32- и 64-разрядные шины);

- тактовая частота шины – частота, с которой передаются биты информации по шине.

Наиболее распространенные шины.

PCI (Peripheral Component Interconnect) – самая распространенная системная шина. Быстродействие шины не зависит от количества подсоединенных устройств. Поддерживает следующие режимы:

- Plug and Play (PnP) – автоматическое определение и настройка подключенного к шине устройства;

- Bus Mastering – режим единоличного управления шиной любым устройством, подключенным к шине, что позволяет быстро передать данные по шине и освободить ее.

AGP (Accelerated Graphics Port) – магистраль между видеокартой и ОЗУ. Разработана, так как параметры шины PCI не отвечают требованиям видеоадаптеров по быстродействию. Шина работает на большей частоте, что позволяет ускорить работу графической подсистемы ЭВМ.

Основные характеристики шин

Характеристика	PCI	AGP
Разрядность шины данных/адреса, бит	32/32	32/32
Рабочая частота, МГц
Пропускная способность, Мбит/с
Число подключаемых устройств, шт.

8. Микропроцессор, его структура, и назначение. Основные параметры микропроцессора.

Микропроцессор — главный вычислительный элемент компьютера, его «сердце». Каждый процессор включает в себя миллионы транзисторов, но и самих процессоров для работы компьютера требуется немало. Помимо центрального процессора, который во всем мире принято обозначать аббревиатурой CPU (Central Processor Unit), схожими микросхемами оборудована практически каждая компьютерная «железяка». Процессор — это не просто скопище транзисторов, а целая система множества важных устройств. На любом процессорном кристалле находятся:

Состав микропроцессора. Собственно процессор, главное вычислительное устройство, состоящее из миллионов логических элементов — транзисторов. Сопроцессор — специальный блок для операций с «плавающей точкой» (или запятой). Применяется для особо точных и сложных расчетов, а также для работы с рядом - графических программ.

Кэш-память первого уровня — небольшая (несколько десятков килобайт) сверхбыстрая память, предназначенная для хранения промежуточных результатов вычислений.

Кэш-память второго уровня — эта память чуть помедленнее, зато больше — от 128 килобайт до 2 Мб.

Все эти устройства размещаются на кристалле площадью не более 4—6 квадратных сантиметров. Арифметико-логическое устройство - часть процессора, которая выполняет команды. Устройство управления - часть процессора, выполняющая функции управления устройствами.Основные характеристики

Тактовая частота. Самый важный показатель, определяющий скорость работы процессора. Тактовая частота, измеряемая в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц), обозначает лишь то количество циклов, которые совершает работающий процессор за единицу времени (секунду). Разрядность процессора. Если тактовую частоту процессора можно уподобить скорости течения воды в реке, то разрядность процессора — ширину ее русла. Понятно, что процессор со вдвое большей разрядностью может «заглотнуть» вдвое больше данных в единицу времени — в том случае, конечно, если это позволяет сделать специально оптимизированное программное обеспечение. Размер кэш-памяти. В эту встроенную память процессор помещает все часто используемые данные, чтобы не обращаться каждый раз — к более медленной оперативной памяти и жесткому диску.

Кэш-память в процессоре имеется двух видов. Самая быстрая — кэш-память первого уровня (32 кб у процессоров Intel и до 128 кб — в последних моделях AMD).

Существует еще чуть менее быстрая, но зато более объемная кэш-память второго уровня — и именно ее объемом отличаются различные модификации процессоров. Так, в семействе Intel самый «богатый» кэш-памятью — мощный Хеоn (2 Мб). У новых моделей Pentium 4 и у Athlon размер кэша второго уровня составляет 512 кб. В новейших моделях планируется увеличить его объем до 1 Мб Тип ядра и технология производства. Технология определяется толщиной минимальных элементов процессора, — чем более «тонкой» становится технология, тем больше транзисторов может уместиться на кристалле. Кроме этого, переход на новую технологию помогает снизить энергопотребление и тепловыделение процессора, что очень важно для его стабильной работы. Переход на новую технологию, как правило, влечет за собой и смену процессорного «ядра» Частота системной шины. Шиной называется та аппаратная магистраль, по которой перемещаются от устройства к устройству данные. Чем выше частота шины, тем больше данных поступает за единицу времени к процессору.

Частота системной шины прямо связана и с частотой самого процессора через так называемый «коэффициент умножения». Процессорная частота — это и есть частота системной шины, умноженная процессором на некую заложенную в нем величину.

Дополнительные возможности. Большинство современных процессоров оснащены также рядом эксклюзивных возможностей, которые влияют на скорость обработки информации. В их числе можно назвать специальные системы «мультимедийных команд», предназначенных для оптимизации работы с графикой, видео и звуком. Например, процессоры Intel оснащены системой команд SSE и SSE 2, а процессоры от AMD — аналогичным набором команд 3DNow! Одним из самых интересных новшеств в новых процессорах Intel (начиная с Pentium 4) стала функция HyperThreading, позволяющая процессору работать с двумя потоками данных одновременно. Конечно, даже оснащенный HyperThreading процессор не будет работать «за двоих», однако прирост скорости в 10—20 процентов получить вполне реально Устройства внутренней памяти и их назначение

В состав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-память и специальная память. 1. Оперативная память Оперативная память — 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. Объем ОЗУ обычно составляет от 32 до 512 Мбайт. Для несложных административных задач бывает достаточно и 32 Мбайт ОЗУ, но сложные задачи компьютерного дизайна могут потребовать от 512 Мбайт до 2 Гбайт ОЗУ.

Модули памяти характеризуются такими параметрами, как объем —(16, 32, 64, 128, 256 или 512 Мбайт), число микросхем, паспортная частота(100 или 133 МГц), время доступа к данным (6 или 7 наносекунд) и число контактов (72, 168 или 184). 2. Кэш-память

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. размером 8, 16 или 32 Кбайт. Кроме того, на системной плате компьютера может быть установлен кэш второго уровня ёмкостью 256, 512 Кбайт и выше.

3. Специальная память

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.

Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.

Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти — модуль BIOS. Роль BIOS двоякая: с одной стороны это неотъемлемый элемент аппаратуры, а с другой строны — важный модуль любой операционной системы.

BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода) — совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память.

4. Видеопамять

Для хранения графической информации используется видеопамять.

Видеопамять (VRAM) — разновидность оперативного ЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам — процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.