Архитектура, состав и назначение основных элементов персонального компьютера

По определению, архитектура — это описание слож­ной системы, состоящей из множества элементов, как еди­ного целого.

Архитектура современного персонального компьютера является обобщением принципов построения ЭВМ, предло­женным группой ученых во главе с Джоном фон Нейманом. В классической архитектуре неймановской ЭВМ мож­но выделить 5 основных блоков, показанных на рис. 2.1. С помощью устройств ввода (УВв) данные и програм­мы, представленные в двоичной форме, попадают в опера­тивно-запоминающее устройство (ОЗУ), или память, ма­шины. Для реализации команд, образующих программу, используется арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические операции, операции срав­нения, алгебры логики и др. Взаимодействие ОЗУ и АЛУ осуществляет устройство управления (УУ). С его помощью программа из ОЗУ передается в АЛУ, оты­скиваются нужные данные, выполняются вычисления, происходит запись в память и организуется выдача результата посред­ством устройства вывода (УВыв).

Реальная структура современного компьютера значительно сложнее, что обусловлено стремлением к повышению его производительности и функциональных возможностей

Так, в структуре персональной ЭВМ появилась кэш­память, введены каналы прямого доступа к оперативной памяти, используемые для обмена данными с устройства­ми ввода/вывода, минуя микропроцессор.

Периферийные устройства подключаются к аппарату­ре компьютера через специальные контроллеры (К) или адаптеры (А) — устройства управления, освобождая про­цессор от непосредственного управления данным оборудо­ванием.

В архитектуре персонального компьютера появился сопроцессор — устройство, функционирующее параллель­но с главным процессором и выполняющее специфические операции: например, математический сопроцессор пред­назначен для сложных математических вычислений.

Системный блок является центральной частью ПК. В корпусе системного блока размещены внутренние уст­ройства ПК. В состав системного блока входят следующие Устройства:

• системная (материнская) плата с микропроцессором;

• оперативная память;

• накопитель на жестком магнитном диске;

• контроллеры или адаптеры для подключения и управления внешними устройствами ПК (монитором, звуко­выми колонками и др.);

• порты для подключения внешних устройств (принтер,

мышьи др.);

• внешние запоминающие устройства (ВЗУ) для гибких магнитных дисков и лазерных дисков типа CD-ROM и DVD-ROM.

Системная плата является интегрирующим (объеди­няющим) узлом ПК. Системная плата во многом опреде­ляет конфигурацию ПК, поскольку от ее параметров за­висит тип используемого микропроцессора, максималь­ный объем оперативной памяти, количество и способы подключения внешних устройств ПК и другие характе­ристики.

Микропроцессор (или процессор) — это главная мик­росхема компьютера. Он запускает программный код, на­ходящийся в памяти, и управляет всеми устройствами ком­пьютера либо напрямую, либо через соответствующие кон­троллеры.

Основой любого микропроцессора является ядро, ко­торое состоит из миллионов транзисторов, расположен­ных на кристалле кремния. Микропроцессор имеет спе­циальные ячейки, которые называются регистрами об­щего назначения (РОН). Работа процессора состоит в выборе из памяти в определенной последовательности команд и данных и их выполнении. Для повышения бы­стродействия ПК микропроцессор снабжен внутренней кэш-памятью.

Процессоры Intel, используемые в IBM-совместимых ПК, насчитывают более тысячи команд и относятся к про­цессорам с расширенной системой команд — CISC-процес­сорам (CISC — Complex Instruction Set Computing).

Обмен данными и командами между внутренними уст­ройствами ПК происходит по проводникам многожильно­го кабеля — системной шине. Основной задачей систем­ной шины является передача данных между процессором и остальными электронными узлами компьютера. Разли­чают три вида шин:

• шина данных;

• шина адреса;

• шина команд.

Шина данных. По этой шине происходит передача данных из оперативной памяти в РОН процессора и на­оборот. В ПК на базе процессоров Intel Pentium шина дан­ных 64-разрядная, т. е. за один такт на обработку посту­пает сразу 8 байт данных.

Шина адреса. По этой шине передаются адреса ячеек оперативной памяти, где находятся команды, которые не­обходимо выполнить процессору. Кроме этого, по этой шине передаются данные, с которыми оперируют коман­ды. В современных процессорах адресная шина 32-разряд­ная, то есть она состоит из 32 параллельных проводников.

Шина команд. По этой шине из оперативной памяти поступают команды, выполняемые процессором. Коман­ды представлены в виде байтов. Простые команды занима­ют один байт, а более сложные — два, три и больше бай­тов. Большинство современных процессоров имеют 32-раз­рядную командную шину, хотя существуют 64-разрядные процессоры с 64-разрядной командной шиной.

Рассмотрим основные шинные интерфейсы системных плат, но более подробно остановимся на шине USB.

USB (Universal Serial Bus). Универсальная последова­тельная шина USB является обязательным элементом со­временного ПК, она пришла на смену устаревшим парал­лельным и последовательным портам. Шина USB пред­ставляет собой последовательный интерфейс передачи Данных для средне- и низкоскоростных периферийных Устройств. Она позволяет подключить до 256 разных уст­ройств с последовательным интерфейсом. Шина USB под­держивает автоопределение (Plug and play) новых уст­ройств, а также так называемое «горячее» подключение, то есть подключение к работающему компьютеру без его перезагрузки. Скорость передачи данных по USB состав­ляет 1,5 Мбит/с. Приведем без пояснения другие типы ^ин: ISA (Industry Standard Architecture), PCI (Periph­eral Component Interconnect), FSB (Front Side Bus), AGP (Advanced Graphic Port).

Все виды запоминающих устройств, расположенные на системной плате, образуют внутреннюю память ПК, к которой относятся:

• оперативная память;

• сверхоперативная память (кэш-память);

• постоянная память.

Оперативная память RAM (Random Access Memory) ис­пользуется для хранения исполняемых в данный момент про­грамм и необходимых для этого данных. Через оперативную память происходит обмен командами и данными между мик­ропроцессором, внешней памятью и периферийными устрой­ствами. Высокое быстродействие определяет название (опе­ративная) данного вида памяти. Ключевой особенностью опе­ративной памяти является ее энергозависимость, т.е. данные хранятся в ней только при включенном компьютере.

По физическому принципу действия различают дина­мическую память DRAM и статическую память SRAM.

Динамическая память при всей простоте и низкой стоимости обладает существенным недостатком, заклю­чающимся в необходимости периодической регенерации (обновлении) содержимого памяти.

Микросхемы динамической памяти используются как основное оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), а микросхемы статической — для кэш-памяти.

Кэш-память (Cache memory) используется для повы­шения быстродействия ПК. Принцип «кэширования» за­ключается в использовании быстродействующей памяти для хранения наиболее часто используемых данных или команд, при этом сокращается количество обращений к более медленной оперативной памяти.

Постоянная память ROM (Read Only Memory) пред­назначена для хранения неизменяемой информации и раз­мещается в микросхеме постоянного запоминающего уст­ройства (ПЗУ). Микросхема ПЗУ способна продолжитель­ное время сохранять информацию даже при отключенном компьютере, поэтому постоянную память также называ­ют энергонезависимой памятью.

Комплект программ, находящийся в ПЗУ, составляет базовую систему ввода/вывода BIOS (Basic Input/Output с tem). bios содержит программы управления клавиатурой, видеокартой, дисками, портами и другими устройствами. Основное назначение этих программ состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность системы и обеспечить взаимодействие основных узлов ПК до загруз­ки какой-либо операционной системы. Кроме этого, в BIOS входит программа тестирования, которая выполняется при включении компьютера.