Архитектура персонального компьютера

Сейчас существуют два основных стандарта универсальных локальных шин : VLB и PCI.

Шина VLB (VЕSA Local Bus- локальная шина VESA) -разработана в 1992 г. Ассоциацией стандартов видеооборудования (VESA - Video Electronics Standards Association) , поэтому часто ее называют шиной VESA.

Шина VLB ,по существу, является расширением внутренней шины МП для связи с видеоадаптером и реже с винчестером, на подходе 64-разрядный вариант шины. Реальная скорость передачи данных по VLB -80 Мбайт /с (теоретически достижимая - 132 Мбайт /с).

Недостатки шины:

рассчитана на работу МП 80386 ,80486 , не адаптирована для процессоров Pentium, Pentium Pro , Power PC;

жесткая зависимость от тактовой частоты МП (каждая шина VLB рассчитана только на конкретную частоту);

малое количество подключаемых устройств - к шине VLB могут подключаться только четыре устройства;

отсутствует арбитраж шины - могут быть конфликты между подключаемыми устройствами. 
Шина PCI (Peripheral Component Interconnect - соединение внешних устройств)- разработана в 1993 г. фирмой Intel.

Шина PCI является на много более универсальной, чем VLB. Имеет свой адаптер, позволяющий ей настраиваться на работу с любым МП: 80486, Pentium , Pentium Pro , Power PC и др.; она позволяет подключать 10 устройств самой разной конфигурации с возможностью автоконфигурирования, имеет свой "арбитраж", средства управления передачей данных. Шина PCI пока еще весьма дорогая.

Разрядность PCI -32 бита с возможностью расширения до 64 бит, теоретическая пропускная способность 132 Мбайта/с (реальная вдвое ниже).

Шина PCI хотя и является локальной, выполняет и многие функции шины расширения, в частности, шины расширения ISA, EISA, MCA (а она совместима сними) при наличии шины PCI подключаются не посредственно к МП (как это имеет место при использовании шины VLB ) а к самой шине PCI (через интерфейс расширения).

Варианты конфигурации систем с шинами VLB и PCI показаны соответствено на рис. 4.3 и 4.4. Следует иметь ввиду ,что использование в ПК шин VLB и PCI возможно только при наличии соответствующей VLB - или PCI-материнской платы. Выпускаются материнские платы с мультишинной структурой, позволяющей использовать ISA/EISA , VLB и PCI , так называемые материнские платы с шиной VIP (по начальным буквам VLB , ISA и PCI ).

Но в настоящее время платы с шинами VLB не производится и отмирает шина ISA, появились новые шины, такие как AGP, предназначенные для видеоадаптеров с высокой пропускной способностью или так называемые 3D ускорители.

Функциональные устройства ПК

Основными характеристиками ПК являются:

1.Быстродействие, производительность, тактовая частота.

Единицами измерения быстродействия служат:

МИПС (MIPC -Vega Instruction Per Second)- миллион операций над числами с фиксированной запятой (точкой):

МФЛОПС (MFLOPS- Mega Floating Operations Second)- миллион операций над числами с плавающей запятой (точкой);

КОПС (KOPS- Kilo Operations Per Second)-для низкопроизводительных ЭВМ - тысяча неких усредненных операций над числами;

ГФЛОПС (GFLOPS - Gigа Floating Operations Per Second) -миллиард операций в секунду над числами с плавающей запятой (точкой).

Оценка производительности ЭВМ всегда приблизительная, ибо при этом ориентируются на некоторые усредненные или, наоборот, на конкретные виды операций. Реально при решении различных задач используются и различные наборы операций. Поэтому для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины. И так как каждая операция требует для своего выполнения вполне определенного количество тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции.

2. Разрядность машины 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 сроки передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды.

4. Емкость оперативной памяти.

Емкость оперативной памяти измеряется чаще всего в мегабайтах (Мбайт). Напоминаем: 1 Мбайт = 1024 Кбайта = 1024 байт.

Многие современные прикладные программы при оперативной памяти емкостью меньше 32 Мбайл просто не работают, либо работают, но очень медленно.

Следует иметь в виду, что увеличение емкости основной памяти в два раза, помимо всего прочего, дает повышение эффективной производительности ЭВМ при решении сложных задач примерно в 1,7 раза.

5. Емкость накопителя на жестких магнитных дисках. (винчестера).

Емкость винчестера измеряется обычно в мегабайтах или гигабайтах (1 Гбайт = 1024 Мбайта).

6. Тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках и лазерных компакт дисков.

Сейчас применяются накопители на гибких магнитных дисках, использующие дискеты размером 3,5 и 5,25 дюйма (практически уже не применяются) (1 дюйм = 25,4 мм). Первые имеют стандартную емкость 1,44 Мбайта, вторые 1,2 Мбайта. Также применяются накопители на компакт дисках в связи с их низкой стоимостью и большой емкостью, размером 650 и 700 Мb, применяются лазерные перезаписываемые диски CD-RW емкостью 650 – 700 Mb. Применяются и такой тип накопителя как DVD. Высокие технологии и высокая стоимость, но и большая емкость до 24 Gb.

7. Виды и емкость КЭШ-памяти.

КЭШ-память - это буферная, недоступная для пользователей быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Например, для ускорения операций с основной памятью организуется регистровая КЭШ-память внутри микропроцессора (КЭШ-память первого уровня) или вне микропроцессора на материнской плате (КЭШ-память второго уровня); для ускорения операций с дисковой памятью организуется КЭШ-память на ячейка электронной памяти.

Следует иметь в виду, что наличие КЭШ-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность ПК примерно на 20%. Встречается емкость КЭШ-памяти и 512 Кбайт.

8. Тип видеомонитора (дисплея) и видеоадаптера.

9. Тип принтера.

10. Наличие математического сопроцессора.

Математический сопроцессор позволяет в десятки раз ускорить выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами.

11. Имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы.

12. Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ.

Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ означает возможность использования на компьютере соответственно тех же технических элементов и программного обеспечения, что и на других типах машин.

13. Возможность работы в вычислительной сети.

14. Взможность работы в многозадачном режиме.

Многозадачный режим позволяет выполнять вычисления одновременно по нескольким программам (многопрограммный режим) или для нескольких пользователей (многопользовательский режим). Совмещение во времени работы нескольких устройств машины, возможное в таком режиме, позволяет значительно увеличить эффективное быстродействие ЭВМ.

15. Надежность.

Надежность - это способность системы выполнять полностью и правильно все заданные ей функции. Надежность ПК измеряется обычно средним временем наработки на отказ.

16.Стоимость.

17. Габариты и масса

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II.  Микропроцессоры.

Микропроцессор, иначе, центральный процессор.

Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

-  арифметико-логическое устройство;

-  шины данных и  шины адресов;

-  регистры;

-  счетчики команд;

-  кэш — очень быструю  память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);

-  математический сопроцессор  чисел с плавающей точкой.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называются многопроцессорными.

Первый микропроцессор был выпущен в 1971 г. фирмой Intel (США) - МП 4004. В настоящее время выпускается несколько сотен различных микропроцессоров, но наиболее популярными и распространенными являются микропроцессоры фирмы Intel и AMD.

Структура микропроцессора

Устройство управления

Устройство управления является функционально наиболее сложным устройством ПК. Он вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций во все блоки машины.

Упрощенная функциональная схема УУ показана на рис. 4.5. Здесь представлены:

Регистр команд - запоминающий регистр, в котором хранится код команды: код выполняемой операции и адреса операндов, участвующих в операции. Регистр команд расположен в интерфейсной части МП, в блоке регистров команд.

Дешифратор операций - логический блок, выбирающий в соответствии с поступающим из регистра команд кодом операции (КОП) один из множества имеющихся у него выходов.

Постоянное запоминающее устройство микропрограмм - хранит в своих ячейках управляющие сигналы (импульсы), необходимые для выполнения в блоках ПК операций обработки информации. Импульс по выбранному дешифратором операций в соответствии с кодом операции считывает из ПЗУ микропрограмм необходимую последовательность управляющих сигналов.

Узел формирования адреса (находится в интерфейсной части МП)- устройство, вычисляющее полный адрес ячейки памяти (регистра) по реквизитам, поступающим из регистра команд и регистров МПП.

Кодовые шины данных, адреса и инструкций - часть внутренней шины микропроцессора. В общем случае УУ формирует управляющие сигналы для выполнения следующих основных процедур.

выборки из регистра-счетчика адреса команды МПП адреса ячейки ОЗУ, где хранится очередная команда программы;

выборки ИЗ ячеек ОЗУ кода очередной команды и приема считанной команды в регистр команд;

расшифровки кода операции и признаков выбранной команды;

считывания из соответствующих расшифрованному коду операции ячеек ПЗУ микропрограмм управляющих сигналов (импульсов) , определяющих во всех блоках машины процедуры выполнения заданной операции, и пересылки управляющих сигналов в эти блоки;

считывания из регистра команд и регистров МПП отдельных составляющих адресов операндов (чисел), участвующих в вычислениях, и формирования полных адресов операндов;

выборки операндов (по сформированным адресам ) и выполнения заданной операции обработки этих операндов;

записи результатов операции в память;

формирования адреса следующей команды программы.

Арифметико-логическое устройство

Арифметикo-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации.

Функционально АЛУ (рис. 2) состоит обычно из двух регистров, сумматора и схем управления (местного устройства управления).

Рис. 2. Функциональная схема АЛУ

Сумматор - вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения поступающих на ее вход двоичных кодов; сумматор имеет разрядность двойного машинного слова.

Регистры быстродействующие ячейки памяти различной длины: регистр 1 (Pr1) имеет разрядность двойного слова, а регистр 2 (Pr2)-разрядность слова.

При выполнении операции в Pr1 помещается первое число, участвующее в операции, а по завершении операции - результат; в Pr2- второе число, участвующее в операции (по завершении операции информация в нем не изменяется). Регистр 1 может принимать информацию с кодовых шин данных, и выдавать информацию с этих шин.

Схемы управления принимают по кодовым шинам инструкций управляющие сигналы от устройства управления и преобразуют их в сигналы для управления работой регистров и сумматора АЛУ.

АЛУ выполняет арифметические операции (+,-,*,:)только над двоичной информацией с запятой, фиксированной после последнего разряда, т.е. только над целыми двоичными числами.

Выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами осуществляется или с привлечением математического сопроцессора, или по специально составленным программам.