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.
