Архитектура персонального компьютера

Microsoft

[Введите название  документа]

[Введите подзаголовок документа]

 

 

Admin [Выберите дату]

 

 

Введение.

В наше время  трудно  представить  себе,  что  без  компьютеров  можно обойтись. А ведь не так давно, до начала 70-х  годов  вычислительные  машины были доступны весьма ограниченному кругу специалистов. Однако  в1971  г.  никому не известная фирма Intel из  небольшого американского городка с красивым  названием  Санта-Клара  (шт.  Калифорния), выпустила первый микропроцессор. Именно ему  мы  обязаны  появлением  нового класса вычислительных систем - персональных  компьютеров,  которыми  теперь пользуются, по существу, все, от учащихся начальных  классов  и  бухгалтеров до маститых ученых и инженеров.  Этим  машинам,  не  занимающим  и  половины поверхности обычного письменного стола, покоряются все новые и новые  классы задач, которые ранее были доступны (а по экономическим соображениям часто  и недоступны - слишком дорого тогда стоило машинное время мэйнфреймов и мини-ЭВМ) лишь системам, занимавшим не одну сотню квадратных  метров.  Наверное, никогда прежде человек не имел в своих руках инструмента, обладающего  столь колоссальной мощью при столь микроскопических размерах.

У персонального компьютера есть два важных преимущества  по  сравнению со  всеми  другими  видами  компьютеров:  он  имеет   относительно   простое управление и может решать достаточно широкий класс задач.

Если ранее на ЭВМ могли  в основном  работать  только  профессиональные программисты  (практически  для  любой  задачи  приходилось  создавать  свою программу), то теперь ситуация коренным образом изменилась. В настоящее время разработаны десятки тысяч программ по всем областям знаний. С ними работают десятки миллионов квалифицированных пользователей.

Согласно статистическим данным, самыми распространенными и используемыми программами являются операционные системы и текстовые редакторы.

Знание характеристик компьютерных устройств поможет квалифицированному пользователю выбрать оптимальную конфигурацию персонального  компьютера  для решения поставленной практической задачи.

1. Архитектура персонального компьютера.

Основная компоновка частей компьютера и связь между ними называется архитектурой. При описании архитектуры компьютера определяется состав входящих в него компонент, принципы их взаимодействия, а также их функции и характеристики.

Рис. 1 Архитектура персонального  компьютера

Практически все универсальные ЭВМ отражают классическую неймановскую архитектуру, представленную на схеме. Рассмотрим устройства подробнее.

Основная  часть системной платы — микропроцессор (МП) или CPU (Central Processing Unit), он управляет работой всех узлов ПК и программой, описывающей алгоритм решаемой задачи. МП имеет сложную структуру в виде электронных логических схем. В качестве его компонент можно выделить:

A). АЛУ - арифметико-логическое устройство, предназначенное для выполнения арифметических и логических операций над данными и адресами памяти;

Б). Регистры или микропроцессорная память — сверхоперативная память, работающая со скоростью процессора, АЛУ работает именно с ними;

B). УУ - устройство управления - управление работой всех узлов МП посредством выработки и передачи другим его компонентам управляющих импульсов, поступающих от кварцевого тактового генератора;

Г). СПр - система прерываний - специальный регистр, описывающий состояние МП, позволяющий прерывать работу МП в любой момент времени для немедленной обработки некоторого поступившего запроса, или постановки его в очередь; после обработки запроса СПр обеспечивает восстановление прерванного процесса;

Д). Устройство управления общей шиной — интерфейсная система.

Для расширения возможностей ПК и  повышения функциональных характеристик  микропроцессора дополнительно  может поставляться математический сопроцессор, служащий для расширения набора команд МП.

Существуют следующие характеристики процессора: быстродействие (производительность, тактовая частота) — количество операций, выполняемых в секунду; разрядность — максимальное количество разрядов двоичного числа, над которыми одновременно может выполняться машинная операция.

Интерфейсная система - это:

• шина управления (ШУ) - предназначена для передачи управляющий импульсов и синхронизации сигналов ко всем устройствам ПК;
• шина адреса (ША) - предназначена для передачи кода адреса ячейки памяти или порта ввода/вывода внешнего устройства;
• шина данных (ШД) - предназначена для параллельной передачи всех разрядов числового кода;
• шина питания - для подключения всех блоков ПК к системе электропитания.

Интерфейсная  система обеспечивает три направления  передачи информации:

• между МП и оперативной памятью;
• между МП и портами ввода/вывода внешних устройств;
• между оперативной памятью и портами ввода/вывода внешних устройств. Обмен информацией между устройствами и системной шиной происходит с помощью кодов ASCII.

Память - устройство для хранения информации в виде данных и программ. Память делится прежде всего на внутреннюю и внешнюю.

Внутренняя  память в свою очередь подразделяется на:

• ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) или ROM (read only memory), которое содержит - постоянную информацию, сохраняемую даже при отключенном питании, которая служит для тестирования памяти и оборудования компьютера, начальной загрузки ПК при включении.
• ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, ОП — оперативная память) или RAM (random access memory), служит для оперативного хранения программ и данных, сохраняемых только на период работы ПК.

• Кэш-память - имеет малое время доступа, служит для временного хранения промежуточных результатов и содержимого наиболее часто используемых ячеек ОП и регистров МП.

Внешняя память. Устройства внешней памяти весьма разнообразны. Предлагаемая классификация учитывает тип носителя, т.е. материального объекта, способного хранить информацию: накопители на магнитной ленте, диски, магнитные диски (МД), НЖМД, НОД, дисковые массивы RAID.

Контроллеры служат для обеспечения прямой связи с ОП, минуя МП, они используются для устройств быстрого обмена данными с ОП - НГМД, НЖД, дисплей и др., обеспечения работы в групповом или сетевом режиме.

Порты бывают входными и выходными, универсальными (ввод - вывод), они служат для обеспечения обмена информацией ПК с внешними, не очень быстрыми устройствами. Выделяют два вида портов:

последовательный — обеспечивает побитный обмен информацией, обычно к такому порту подключают модем;

параллельный — обеспечивает побайтный обмен информацией, к такому порту подключают принтер. Современные ПК обычно оборудованы 1 параллельным и 2 последовательными портами.

Видеомониторы — устройства, предназначенные для вывода информации от ПК пользователю. Мониторы бывают монохромные и цветные. В портативных ПК используют электролюминесцентные или жидкокристаллические панели. Мониторы могут работать в текстовом и графическом режимах.

Принтеры — это устройства вывода данных из ЭВМ, преобразовывающие информационные ASCII-коды в соответствующие им графические символы и фиксирующие эти символы на бумаге. Принтеры бывают: матричные, лазерные, термографические, струйные.

Сканеры - устройства ввода в ЭВМ информации непосредственно с бумажного документа. Файл, создаваемый сканером в памяти ЭВМ, называется битовой картой. Существует два формата представления графической информации в ЭВМ: текстовый и растровый.

Манипуляторы - компьютерные устройства, управляемые руками оператора:

мышь — устройство для определения относительных координат (смещения относительно предыдущего положения или направления) движения руки оператора;

джойстик  — рычажный указатель - устройство для ввода направления движения руки оператора, их чаще используют для игр на компьютере;

дигитайзер или оцифровывающий планшет — устройство для точного ввода графической информации (чертежей, графиков, карт) в компьютер.

Клавиатура — устройство для ввода информации в память компьютера.

Принципы работы компьютера.

В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945г. американским ученым Джоном фон Нейманом.

1. Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, выполняющихся процессором автоматически в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного перехода, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп». Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти, поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм).

Более того, команды одной программы  могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Компьютеры, построенные на перечисленных принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам необязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не фон-неймановскими.

Понятие операционной системы

Существуют две группы определений  ОС: «совокупность программ, управляющих  оборудованием» и «совокупность  программ, управляющих другими программами». Обе они имеют свой точный технический  смысл, который, однако, становится ясен только при более детальном рассмотрении вопроса о том, зачем вообще нужны  операционные системы.  Современные универсальные ОС можно охарактеризовать прежде всего как

1. использующие файловые системы (с универсальным механизмом доступа к данным),
2. многопользовательские (с разделением полномочий),
3. многозадачные (с разделением времени).

Многозадачность и распределение  полномочий требуют определённой иерархии привилегий компонентов самой ОС. В составе ОС различают три  группы компонентов:

• ядро, содержащее планировщик; драйверы устройств, непосредственно управляющие оборудованием; сетевую подсистему, файловую систему;
• системные библиотеки
• оболочку с утилитами.
• В определении состава ОС значение имеет критерий операциональной целостности (замкнутости): система должна позволять полноценно использовать (включая модификацию) свои компоненты. Поэтому в полный состав ОС включается и набор инструментальных средств (от текстовых редакторов до компиляторов, отладчиков и компоновщиков). Операциональной замкнутостью обладают системы, удовлетворяющие «разработческому» профилю в терминах стандарта.

Основные функции операционных систем

По современным представлениям, ОС должна уметь делать следующее:

• Обеспечивать загрузку пользовательских программ в оперативную памятьи их исполнение.
• Обеспечивать работу с устройствами долговременной памяти, такими как магнитные диски, ленты, оптические диски и т.д. Как правило, ОС управляет свободным пространством на этих носителях и структурирует пользовательские данные.
• Предоставлять более или менее стандартный доступ к различным устройствам ввода/вывода, таким как терминалы, модемы, печатающие устройства.
• Предоставлять некоторый пользовательский интерфейс. Слово некоторый здесь сказано не случайно - часть систем ограничивается командной строкой, в то время как другие на 90% состоят из средств интерфейса пользователя.
• Параллельное (точнее, псевдопараллельное, если машина имеет только один процессор) исполнение нескольких задач.
• Распределение ресурсов компьютера между задачами.
• Организация взаимодействия задач друг с другом.
• Взаимодействие пользовательских программ с нестандартными внешними устройствами.
• Организация межмашинного взаимодействия и разделения ресурсов.
• Защита системных ресурсов, данных и программ пользователя, исполняющихся процессов и самой себя от ошибочных и зловредных действий пользователей и их программ.