Устройство ПК (лекция)

Основные устройства компьютера, их функции и взаимосвязь.

В основу построения большинства ЭВМ положены принципы, сформулированные в 1945 г. Джоном фон Нейманом:

1. Принцип программного управления (программа состоит из набора команд,

которые выполняются процессором автоматически друг за другом в заданной последовательности).

2. Принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными).

3. Принцип адресности (основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек).

ЭВМ, построенные на этих принципах, имеют классическую архитектуру

(архитектуру фон Неймана).

Архитектура ЭВМ – 1) это описание совокупности устройств и блоков ЭВМ, а также связей между ними; 2) это описание принципа действия ЭВМ.

Архитектура определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов ЭВМ:

• центрального процессора;

• периферийных процессоров;

• оперативного ЗУ (запоминающего устройства);

• внешних ЗУ;

• периферийных устройств.

Совокупность материальных компонент компьютера, в которых реализуются различные информационные процессы, называется аппаратным обеспечением, или оборудованием ПК.

Совокупность программ, под управлением которых работает компьютер, называется программным обеспечением (ПО).

Программное обеспечение ПК делится на следующие категории:

• Операционная система (ОС) – совокупность программ, предназначенных для управления устройствами компьютера и процессами вычисления;

• Системы программирования – к ним относятся различные языки программирования;

• Прикладные программы – к этой категории относят все программное обеспечение, которое не входит в первые две категории (учебные программы, игры, текстовые редакторы, графические редакторы, электронные переводчики и словари, антивирусные программы и архиваторы и т.д.).

Персональные компьютеры обычно состоят из следующих основных модулей: системный блок, монитор, клавиатура, мышка - компьютер в настольном исполнении, компьютер в компактном исполнении (notebook)

В системном блоке находятся все основные узлы компьютера:

• материнская плата;

• электронные схемы (процессор, контроллеры устройств и т.д.);

• блок питания;

• дисководы (накопители).

Все эти компоненты жизненно важны для жизненно важны для компьютера, без них он не может работать. Поэтому данный блок и называется системным.

Оборудование, которое расположено вне системного блока, относится к внешним устройствам ввода-вывода. Это оборудование называют также периферийными устройствами. Однако к периферийным можно отнести и некоторые уст­ройства внутри самого системного блока. В первую очередь, это все типы накопи­телей (о них вы также узнаете позже).

Адаптер – электронная схема, обеспечивающая связь (сопряжение) периферийных устройств ПК с центральными (системными). Адаптер управляет периферийным устройством, контролирует правильность его работы (тогда он называется – контроллер), обеспечивает интерфейс устройств ввода/вывода.

Основные характеристики процессора компьютера.

Функции процессора:

• обработка данных по заданной программе (выполнение над ними арифметических и логических операций) – функция АЛУ (арифметико-логического устройства);

• программное управление работой устройств ЭВМ – функция УУ (устройства управления).

В общем случае под процессором понимают устройство, производящее набор операций над данными, представленными в цифровой форме (двоичным кодом). Применительно к вычислительной технике под процессором понимают центральное процессорное устройство (CPU), обладающее способностью выбирать, декодировать и выполнять команды, а также передавать и принимать информацию от других устройств. Проще говоря, процессор – это электронная схема, выполняющая обработку информации.

Производство современных персональных компьютеров начались тогда, когда процессор был выполнен в виде отдельной микросхемы.

Количество фирм, разрабатывающих и производящих процессоры для IBM-совместимых компьютеров, невелико. В настоящее время известны: Intel, Cyrix, AMD, NexGen, Texas Instrument...

Кроме процессоров, которые составляют основу IBM-совместимых персональных компьютеров, существует целый класс процессоров, составляющих параллельную платформу (среди самых известных – персональные компьютеры американской фирмы Apple, для которых используются процессоры типа Power PC, имеющие принципиально другую архитектуру, выпускаемые фирмой Motorola и др.). Производительность персональных компьютеров на основе процессоров Power PC значительно выше, чем у IBM-совместимых, поэтому, несмотря на значительную разницу в цене, для серьезных профессиональных приложений им отдают предпочтение.

Производительность CPU характеризуется следующими основными параметрами:

• степенью интеграции;

• внутренней и внешней разрядностью обрабатываемые данных;

• тактовой частотой;

• памятью, к которой может адресоваться CPU.

Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет за одну секунду (измеряется в МГц).

Степень интеграции микросхемы показывает, сколько транзисторов (самый простой элемент любой микросхемы) может поместиться на единице площади. Для процессора Pentium Intel эта величина составляет приблизительно 3 млн. на 3,5 кв.см, у Pentium Pro – 5 млн.

Внутренняя разрядность процессора определяет, какое количество битов он может обрабатывать одновременно при выполнении арифметических операций (в зависимости от поколения процессоров – от 8 до 32 битов). Внешняя разрядность процессора определяет сколько битов одновременно он может принимать или передавать во внешние устройства (от 16 до 64 и более в современных процессорах). Тактовая частота определяет быстродействие процессора.

Для процессора различают внутреннюю (собственную) тактовую частоту процессора (с таким быстродействием могут выполняться внутренние простейшие операции) и внешнюю (определяет скорость передачи данных по внешней шине). Количество адресов ОЗУ, доступное процессору, определяется разрядностью адресной шины.

С бурным развитием мультимедиа приложений перед разработчиками процессоров возникли проблемы увеличения скорости обработки огромных массивов данных, содержащих графическую, звуковую или видео информацию. В результате возникли дополнительно устанавливаемые специальные процессоры DSP а недавно появились разработанные на базе процессоров Pentium так называемые MMX-процессоры (первый из них – Pentium P55C). Желающие воспользоваться преимуществами новых ММX-процессоров должны позаботиться о приобретении нового программного обеспечения, ориентированного на работу с ними.

Организация и основные характеристики памяти компьютера.

Память компьютера предназначена для хранения информации (программ, данных и команд управления).

Выделяют три вида памяти компьютера: постоянное, оперативное и внешнее запоминающие устройства (ПЗУ, ОЗУ, ВЗУ).

Основные пользовательские характеристики:

• емкость (объем) – количество байтов памяти;

• быстродействие – время обращения к ячейкам памяти, определяемое временем считывания или временем записи информации. Измеряется в наносекундах (10^-10с);

• разрядность – количество линий ввода-вывода, которые имеют микросхемы оперативной и постоянной памяти или внешние накопители.

Во многих ПК ПЗУ(ROM) реализуется отдельной микросхемой, в которую при изготовлении ПК помещаются основные команды ввода/вывода, осуществляющие начальное взаимодействие аппаратного и программного обеспечения ПК.

Этот вид памяти доступен лишь для чтения хранящейся в ней информации.

После выключения питания компьютера информация в ПЗУ сохраняется, то есть ПЗУ – энергоНЕзависимое устройство.

ОЗУ (RAM) неотъемлемая часть любого ПК. Это быст­родействующее ЗУ сравнительно небольшого (по сравнению с ВЗУ) объёма, реализованное в виде электронной схемы.

ОЗУ доступно как для чтения, так и для записи информации. Именно в ОЗУ хранится выполняе­мая ПК в текущий момент программа и необходимые для неё данные.

ОЗУ работает под непосредственным управлением микро­процессора, все данные для которого поступают только из ОЗУ.

ОЗУ обеспечивает хранение информации лишь в течение сеанса работы с ПК — после выключения компьютера из сети данные, хранимые в ОЗУ, теряются безвозвратно, то есть ОЗУ — энергозависимое устройство.

Ёмкость ОЗУ современных моделей ПК колеблется от 640 Кбайт (IBM PC XT) до 128 Мбайт.

Для ускорения вычислений информация из наиболее час­то используемых участков ОЗУ помещается в сверхбыстро­действующие микросхемы памяти — кэш-память. Отсутст­вие кэш-памяти может существенно (на 20-30%) снизить общую производительность компьютера.

В настоящее время используется кэш-память от 64 до 512 Кбайт.

Размещение информации в памяти называется записью, а получение информации из памяти – чтением или считыванием.

Функции памяти:

• приём информации от других устройств;

• запоминание информации;

• передача информации по запросу в другие устройства машины.

Центральный процессор имеет доступ то к данным, находящимся в оперативной памяти (физическое устройство памяти называется ОЗУ – оперативное запоминающее устройство или RAM – Random Access Memory). Работа компьютера с пользовательскими программами начинается после того как данные будут считаны из внешней памяти в ОЗУ. ОЗУ работает синхронно с центральным процессором и имеет малое время доступа. Оперативная память сохраняет данные только при включенном питании. Отключение питания приводит к необратимой потере данных, поэтому пользователю, работающему с большими массивами данных в течение длительного времени, рекомендуют периодически сохранять промежуточные результаты на внешнем носителе. По способу реализации оперативная память делится на динамическую и статическую. Динамическая память напоминает дырявое ведро, в котором, если регулярно не доливать, скоро не останется воды.

Регулярный долив применительно к динамической памяти, называется регенерацией и производится раз в несколько миллисекунд, что несколько снижает быстродействие системы. Однако эти недостатки искупаются простотой исполнения, а также большой емкостью микросхем динамической памяти. Статическая память при включенном питании надежно хранит записанные данные, имеет малое время доступа, потребляет мизерный ток, но емкость ее микросхем ограничена.

Основными характеристиками ОЗУ являются: количество ячеек памяти (адреса) и время доступа к информации, определяемое интервалом времени, в течение которого информация записывается в память или считывается из нее.

Основой ОЗУ являются микросхемы памяти (chips), которые объединяются в блоки (банки) различной конфигурации. При комплектации банков различными микросхемами необходимо следить, чтобы время доступа у них не различалось больше, чем на 10 нс.

Для нормального функционирования системы большое значение имеет согласование быстродействия центрального процессора и ОЗУ.

Оперативная память бывает: SIMM (Single In-Line Memory Module) и DIMM (Dual In-Line Memory Module).

В системную плату модули SIMM необходимо было вставлять только попарно, а DIMM можно выбрать по одному, что связано с разрядностью внешней шины данных процессоров Pentium. Такой способ установки предоставляет больше возможностей для варьирования объема оперативной памяти.

Первоначально материнские платы поддерживали оба разъема, но уже довольно продолжительное время они комплектуются исключительно разъемами DIMM. Сейчас в качестве оперативной памяти используются модули SIMM, DIMM, RIMM, SO-DIMM и SO-RIMM. Все они имеют разное количество контактов. Модули SIMM сейчас встречаются только в старых моделях материнских плат, а им на смену пришли 168-контактные DIMM. Модули SO-DIMM и SO-RIMM, имеющие меньшее количество контактов, чем стандартные DIMM и RIMM, широко используются в портативных устройствах. Модули RIMM можно встретить в платах на новом чипсете Intel 820.

Шиной в электротехнике называется толстый медный провод, предназ­наченный для передачи больших токов. В компьютерной технике словом «шина» обозначают устройство для связи между собой нескольких узлов компьютера. Связь и обмен информацией всех узлов компьютера организуется с помощью системной шины. Системная шина называется также магистралью.

Системная шина связывает, в первую очередь, МП со всеми узлами компьютера. Кроме этого, через системную шину-магистраль узлы связываются между собой. Магистраль включает в себя следующие три шины:

• Шина управления, которая служит для управления со стороны МП всеми системами и процессами, происходящими в компьютере.

• Шина адреса (адресная шина), с помощью которой осуществляется выбор нужной ячейки памяти, а также портов ввода-вывода.

• Шина данных, по которой информация передается от МП к какому-либо устройству либо, наоборот, от устройства к МП.

Каждая шина – это набор электрических соединений-проводов. Адресная шина, например для МП Intel 8088 состоит из 20 параллельных проводов – по одному для каждого бита. То есть адресная шина для этого МП является 20-разрядной.

Дисковая память – наиболее распространенный тип долговременной памяти, отличающийся высоким быстродействием и удобством использования. Для дисковой памяти характерно использование метода прямого доступа к памяти.

Кэш-память – используется для производительности современных ПК, имеет меньший объем чем ОЗУ (16-256 Кб), но обладает более высоким быстродействием. Кэш является отдельным устройством памяти, размещенным на материнской плате.

8