Функциональная схема компьютера (основные устройства, их функции и взаимосвязь). Характеристики современных персональных компьютеров

Функциональная схема  компьютера (основные устройства, их функции  и взаимосвязь). Характеристики современных  персональных компьютеров

Еще при создании первых компьютеров в 1945 году знаменитый математик  Джон фон Нейман описал, как должен быть устроен компьютер, чтобы он был универсальным и эффективным  устройством для обработки информации. Эти основы конструкции компьютера называются принципами фон Неймана. Сейчас подавляющее большинство  компьютеров в основных чертах соответствуют  принципам фон Неймана.

Прежде всего, компьютер, согласно принципам фон Неймана, должен иметь следующие устройства:

• – арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;
• – устройство управления, которое организует процесс выполнения программ;
• – запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных;
• – внешние устройства для ввода-вывода информации.

Современный персональный компьютер  может быть реализован в настольном (desktop), портативном (notebook) или карманном (handheld) варианте.

Все основные компоненты настольного  компьютера находятся внутри системного блока. Основным аппаратным компонентом  компьютера является системная (материнская) плата (motherboard). На системной плате  реализована магистраль обмена информацией, имеются разъемы для установки  процессора и оперативной памяти, а также слоты для установки  контролеров внешних устройств.

Процессор является главным  устройством компьютера, в котором  собственно и происходит обработка  всех видов информации. Другой важной функцией процессора является обеспечение  согласованного действия всех узлов, входящих в состав компьютера. Соответственно наиболее важными частями процессора являются арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ).

Каждый процессор способен выполнять вполне определенный набор  универсальных инструкций, называемых чаще всего машинными командами. Каков именно этот набор, определяется устройством конкретного процессора, но он не очень велик и в основном аналогичен для различных процессоров. Работа ЭВМ состоит в выполнении последовательности таких команд, подготовленных в виде программы. Процессор способен организовать считывание очередной  команды, ее анализ и выполнение, а  также при необходимости принять  данные или отправить результаты их обработки на требуемое устройство. Выбрать, какую инструкцию программы  исполнять следующей, также должен сам процессор, причем результат  этого выбора часто может зависеть от обрабатываемой в данный момент информации.

Процессор аппаратно реализуется  на большой интегральной схеме (БИС). БИС на самом деле не является "большой" по размеру и представляет собой  маленькую плоскую полупроводниковую  пластину размером примерно 20×20 мм, заключенную  в плоский корпус с рядами металлических  штырьков (контактов). БИС является большой по количеству элементов.

Важнейшей характеристикой, определяющей быстродействие процессора, является тактовая частота, т.е. количество тактов в секунду. Такт – это промежуток времени между началами подачи двух последовательных импульсов специальной микросхемой ndash; генератором тактовой частоты, синхронизирующим работу узлов компьютера. На выполнение процессором каждой базовой операции (например, сложения) отводится определенное количество тактов. Чем больше тактовая частота, тем больше операций в секунду выполняет процессор. Тактовая частота измеряется в МГц (мегагерцах) и ГГц (гигагерцах). Тактовая частота современных процессоров достигает 4 ГГц.

Другой характеристикой  процессора, влияющей на его производительность, является разрядность процессора. Разрядность  определяется количеством двоичных разрядов, которые могут передаваться или обрабатываться процессором  одновременно. Часто уточняют разрядность  процессора и пишут 64/36, что означает, что процессор имеет 64-разрядную  шину данных и 36-разрядную шину адреса.

Производительность процессора является его интегральной характеристикой, которая зависит от частоты процессора, его разрядности, а также особенностей архитектуры (наличие кэш-памяти и  др.).

Хотя внутри процессора всегда имеются специальные ячейки (регистры) для оперативного хранения обрабатываемых данных и некоторой служебной  информации, в нем сознательно  не предусмотрено место для хранения программы. Для этой важной цели в  компьютере служит другое устройство ndash; память.

Память в целом предназначена  для хранения как данных, так и  программ их обработки: согласно фундаментальному принципу фон Неймана, для обоих  типов информации используется единое устройство.

Начиная с самых первых ЭВМ, память сразу стали делить на внутреннюю и внешнюю. Исторически  это действительно было связано  с размещением внутри или вне  процессорного шкафа. Однако с уменьшением  размеров машин внутрь основного  процессорного корпуса удавалось  поместить все большее количество устройств, и первоначальный непосредственный смысл данного деления постепенно утратился. Тем не менее, терминология сохранилась.

Под внутренней памятью современного компьютера принято понимать быстродействующую  электронную память, расположенную  на его системной плате. Сейчас такая  память изготавливается на базе самых  современных полупроводниковых  технологий. Наиболее существенная часть  внутренней памяти называется оперативное  запоминающее устройство (ОЗУ, RAM: random access memory − память произвольного доступа). Его главное назначение состоит в том, чтобы хранить данные и программы для решаемых в текущий момент задач. Наверное, каждому пользователю известно, что при выключении питания содержимое ОЗУ полностью теряется.

Оперативная память изготавливается  в виде модулей памяти. Модули памяти представляют собой пластины с рядами контактов, на которых размещаются  БИС памяти. Модули памяти могут  различаться между собой по размеру  и количеству контактов (DIMM: dual in-line memory module − модуль памяти с двухрядным расположением выводов, DDR: double data rate − двойная скорость передачи данных), быстродействию (максимально возможная частота операций записи или считывания информации из ячеек памяти), информационной емкости (в МБайтах).

Кэш-память. Для ускорения  доступа к оперативной памяти используется специальная сверхбыстродействующая кэш-память, которая располагается  как бы "между" микропроцессором и основной памятью (DRAM: dynamic random access memory − динамическое запоминающее устройство с произвольным доступом): он состоит из кэш-контролера и кэш-памяти SRAM (static random access memory − статическое запоминающее устройство с произвольным доступом) и хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. При обращении процессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем ко всей оперативной памяти, а в большинстве случаев необходимые данные уже содержатся в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается. Он появился относительно недавно, но начиная с 486-го процессора, без кэш-памяти не обходится ни одна модель процессора. Название «кэш» происходит от английского слова “cashe”, которое обозначает тайник или замаскированный склад (в частности, этим словом называют провиант, оставленный экспедицией для обратного пути, или запас продуктов, например, меда, которые животные создают на зиму).

Кэш-память может быть встроена непосредственно внутрь процессора (кэш-память, встроенная в кристалл), а может существовать в виде отдельного элемента. Кэш-память работает на той  же частоте, что и сам процессор, имеет небольшой объем. Заметим, что именно размером кэш-памяти отличаются между собой идентичные в остальном  процессоры Pentium и Celeron фирмы Intel, а также Athlon и Duron фирмы AMD. Как и для ОЗУ, увеличение объема кэша повышает эффективность  работы компьютерной системы.

В состав внутренней памяти современного компьютера, помимо ОЗУ, также входят и некоторые другие разновидности памяти.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) или BIOS (Basic Input-Output System – базовая система ввода-вывода). В ПЗУ (BIOS) хранится информация, необходимая для первоначальной загрузки компьютера в момент включения питания. Как очевидно из названия, информация в ПЗУ не зависит от состояния компьютера (для лучшего понимания можно указать на некоторую аналогию между информацией в ПЗУ и "врожденными" безусловными рефлексами у живых существ). Раньше содержимое ПЗУ раз и навсегда формировалось на заводе, теперь же современные технологии позволяют в случае необходимости обновлять его даже не извлекая из компьютерной платы.

CMOS (complementary metal-oxide semiconductor − комплементарный (дополняющий) металло-оксидный полупроводник) или полупостоянная память. Небольшой участок памяти для хранения параметров конфигурации компьютера. Его называют CMOS-памятью, поскольку эта память обычно выполняется по технологии, обладающей низким энергопотреблением. Содержимое CMOS-памяти не изменяется при выключении электропитания компьютера, поскольку для ее электропитания используется специальный аккумулятор. Для изменения параметров конфигурации компьютера в BIOS содержится программа настройки конфигурации компьютера – SETUP. Она позволяет установить некоторые характеристики устройств компьютера (типы видеоконтроллера, жестких дисков и дисководов для дискет. Программа настройки конфигурации вызывается, если пользователь во время начальной загрузки нажмет клавишу Del.

Видеопамять (VRAM: video random access memory − запоминающее устройство с произвольным доступом для сопряжения микропроцессора с монитором, ОЗУ видеоизображений). Еще один вид памяти, который используется для хранения изображения, выводимого на экран монитора. Эта память обычно входит в состав видеоконтроллера – электронной схемы, управляющей выводом изображения на экран. Она характеризуется объемом, которая в последние годы достигла значения в 512 МБайт.

Контролеры. Электронные  схемы, управляющие различными устройствами компьютера, называются контролерами – контролер для управления клавиатурой, монитором (видеоконтроллер), звуковой контролер, сетевой контролер, контролеры дисководов.

Некоторые контролеры входят в состав материнской платы. Такие  контролеры называются встроенными  или интегрированными (в материнскую  плату). Так контролер клавиатуры всегда является встроенным. На современных  материнских платах обычно имеются  встроенные контролеры дисководов, портов ввода-вывода, иногда видеоконтроллер  и аудиоконтролер.

Разным пользователям  в компьютере нужен разный набор  контролеров. Поэтому материнские  платы продаются как со встроенными  видео- и аудиоконтролерами, так  и без них. Поэтому видео-, аудиоконтролеры  и др. располагаются на отдельных  электронных платах – платах контролеров. Эти платы вставляются в специальные разъемы (слоты) на материнской плате компьютера.

При вставке в разъем материнской  платы контролер подключается к  системной шине – магистрали передачи данных между оперативной памятью и контролерами. Существуют два типа шин: последовательная и параллельная. Скорость работы последовательных шин принято выражать в мегабитах в секунду, а параллельных − в мегабайтах в секунду. Виды шин:

• ISA (Industry Standard Architecture − архитектура, соответствующая промышленному стандарту) − шина для контролеров низкоскоростных устройств (для обмена данными с клавиатурой, мышью, дисководами), устаревшая шина;
• Шина PCI (Peripheral Component Interconnect bus − шина взаимодействия периферийных устройств) − параллельная, 32 бита: обеспечивает обмен информацией с контролерами периферийных устройств: звуковой платой (аудиоконтролером), сетевой платой (для организации локальной сети и подключения к Интернет и др. видам сетей), внутренний модем (устройство для соединения компьютера с телефоном). Частота контролеров меньше частоты системной шины, например, если частота системной шины составляет 100 МГц, то частота шины PCI обычно в три раза меньше − 33 МГц. Теоретическая пропускная способность шины составляет 32 бита×33 МГц/8=132 Мбайт/с.
• PCI Express x1 − последовательная шина, теоретическая пропускная способность шины составляет 250 Мбит/с.
• Шина AGP (Accelerated Graphic Port − ускоренный графический порт) − используется для подключения видеоплаты.
• UDMA (Ultra Direct Memory Access − прямое подключение к памяти) − для подключения устройств хранения информации (жесткие диски, CD-ROM и др.).
• USB 1.1 (Universal Serial Bus − универсальная последовательная шина) − последовательная шина, теоретическая пропускная способность шины составляет 12 Мбит/с.
• Hi-Speed USB (USB 2.0) − последовательная шина, теоретическая пропускная способность шины составляет 480 Мбит/с.
• IEEE1394 (FireWire) (Institute of Electrical and Electronics Engineers − Институт инженеров по электротехнике и электронике: профессиональное объединение, выпускающие свои собственные стандарты) − последовательная шина, 400 Мбит/с.
• Шины памяти SDRAM PC100 МГц и SDRAM PC133 МГц (DIMM) − параллельные шины, 64 бита, теоретическая пропускная способность шин составляет 800 и 1064 Мбайт/с.
• Шина памяти DDR с частотами 200/266/333/400 МГц (один канал) − параллельная, 64 бита, теоретическая пропускная способность шины составляет соответственно 1600/2100/2700/3200 Мбайт/с.
• Шина памяти DDR400 (два канала) − параллельная, 128 бит, теоретическая пропускная способность шины составляет 128 бит×200 МГц×2(DDR)/8=6400 Мбайт/с.

Одним из контролеров, которые  присутствуют почти в каждом компьютере, является контролер портов ввода-вывода. Порты ввода-вывода бывают следующих  типов:

1. Параллельные (LPT), имеющий 25 контактов, обычно подключаются принтеры, сканеры, скорость передачи данных составляет 5 Мбайт/с;
2. Последовательный (СОМ) (9 контактов) подключаются мышь, модем и др. устройства, скорость передачи данных составляет 112 Кбит/с (0,1 Мбит/с);
3. игровой порт для джойстика;
4. порт USB (1.1 или 2.0) − обеспечивает высокоскоростное подключение к компьютеру сразу нескольких периферийных устройств (принтеры, сканеры, модемы, мыши, флэш-память и др.);
5. PS/2 – подключение мыши и клавиатуры.

Внешняя память реализуется  в виде довольно разнообразных устройств  хранения информации и обычно конструктивно  оформляется в виде самостоятельных  блоков. Сюда, прежде всего, следует  отнести накопители на гибких и жестких  магнитных дисках (последние пользователи жаргонно именуют винчестерами), а  также оптические дисководы (устройства для работы с CD-ROM). В конструкции  устройств внешней памяти имеются  механически движущиеся части, поэтому  скорость их работы существенно ниже, чем у полностью электронной  внутренней памяти. Тем не менее, внешняя  память позволяет сохранить огромные объемы информации с целью последующего использования. Подчеркнем, что информация во внешней памяти, прежде всего, предназначена  для самого компьютера и поэтому  хранится в удобной ему форме; человек без использования машины не в состоянии, например, даже отдаленно  представить содержимое немаркированной  дискеты или диска CD-ROM.

Современные программные  системы способны объединять внутреннюю и внешнюю память в единое целое, причем так, чтобы наиболее редко  используемая информация попадала в  более медленно работающую внешнюю  память. Такой метод дает возможность  очень существенно расширить  объем обрабатываемой с помощью  компьютера информации.

Если процессор дополнить  памятью, то такая система уже  может быть работоспособной. Ее существенным недостатком является невозможность  узнать что-либо о происходящем внутри такой системы. Для получения  информации о результатах необходимо дополнить компьютер устройствами вывода, которые позволяют представить  их в доступной человеческому  восприятию форме. Наиболее распространенным устройством вывода является дисплей, способный быстро и оперативно отображать на своем экране как текстовую, так  и графическую информацию. Для  того чтобы получить копию результатов  на бумаге, используют печатающее устройство, или принтер; плоттер (графопостроитель), ризограф.