Архитектура современного ПК
Структура эвм. Основные элементы пк
Возможности персонального компьютера (ПК) определяются характеристиками его функциональных блоков. Замена одних блоков на другие в настоящее время не представляет особой проблемы, и при необходимости можно достаточно быстро произвести модернизацию ПК. Однако современный рынок компьютерной техники столь разнообразен, что не просто выбрать нужный блок, определить конфигурацию с требуемыми характеристиками. Без специальных знаний здесь практически не обойтись. Архитектура компьютера обычно определяется совокупностью ее свойств, существенных для пользователя. Основное внимание при этом уделяется структуре и функциональным возможностям машины. Рассмотрим состав и назначение основных блоков ПК.
Состав и назначение основных элементов ПК:
Общие принципы функционирования компьютеров, сформулировал Джон фон Нейман в 1945 году.
В 1946 году Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В последствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальны и сегодня.
По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципиально новое.
Принципы фон Неймана:
Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах. Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.
Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.
Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.
Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.
Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.
Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.
Основными блоками по Нейману являются следующие устройства:
На рисунке тонкими стрелками указаны направления потоков информации, жирными – управляющих сигналов от процессора к остальным узлам.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - выполняет арифметические и логические операции;
Устройство управления (УУ) - организует процесс выполнения программ;
Запоминающее устройство (ЗУ) - память для хранения программ и данных;
Устройства для ввода-вывода информации.
Это компьютеры классической архитектуры с общей шиной (или системной магистралью). Магистраль включает в себя:
шину адреса (передача адресов оперативной памяти);
шину данных (передача данных из оперативной памяти в АЛУ);
шину управления (передача управляющих сигналов от УУ).
Персональный компьютер (ПК) – комплекс взаимосвязанных устройств, каждому из которых поручена определенная функция – это системный блок, монитор (дисплей), клавиатура, мышь, соединенные кабелями или беспроводной связью.
В системном блоке расположены основные аппаратные компоненты ПК:
материнская (системная) плата;
процессор;
память;
адаптеры (контроллеры) внешних устройств;
дисководы для гибких и оптических дисков;
дисководы на жестком магнитном диске («винчестеры»);
органы управления (выключатели, кнопка сброса, индикаторы питания и режимов работы).
Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связан с шиной определенного типа – адресной, управляющей или шиной данных. Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине через контроллеры и порты.
Контроллер – специализированное устройство (или плата), управляющее работой некоторого периферийного устройства и обеспечивающее его связь с системной платой. Например, контроллер клавиатуры или жёсткого диска.
Адаптер – устройство, обеспечивающее согласование параметров входных и выходных сигналов в системе. Например, видеоадаптер, преобразующий цифровое изображение для отображения на аналоговом мониторе; адаптеры последовательного и параллельного портов.
Порты устройств – электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам процессора.
Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройства побитно.
Параллельный порт получает и посылает данные побайтно.
К последовательному порту подключают медленно действующие или достаточно удаленные устройства (мышь, модем). К параллельному порту подсоединяют более быстрые устройства (принтер, сканер).
На материнской плате расположены главные компоненты компьютерной системы:
центральный микропроцессор, совмещающий в современных ПК АЛУ и УУ;
оперативная память;
микросхемы поддержки;
центральная магистраль или шина;
контроллер шины и несколько гнезд-разъемов (слотов).
Они служат для подключения к материнской плате других устройств.
Существуют следующие системные шины:
16-разрядная шина ISA, работающая с тактовой частотой 8 МГц;
шины MCA с тактовой частотой до 10 МГц, разрядность шины 16 и 32 (шина несовместима с шиной ISA , поэтому практически не используется);
шина EISA работает с тактовой частотой 8-10 МГц (применялась в высокопроизводительных серверах и профессиональных рабочих станциях), являлась очень дорогим решением.
Для увеличения производительности используют локальные шины, связывающие процессор непосредственно с контроллерами периферийных устройств. Наиболее известные – VL-bus, PCI и PCI-Express. Для ускорения работы с графическими и видеоданными шина PCI дополнена портом AGP.
Высокоскоростные последовательные шины USB – служит для одновременного подключения большого количества внешних устройств – до 127, и IEEE-1394 (FireWire) – используется для соединения с внешними проигрывателями дисков DVD и CD-ROM, с цифровыми видео- и фотокамерами, с жесткими дисками.
Основные характеристики процессора – тактовая частота – количество элементарных операций, выполняемых процессором, в секунду и разрядность – количество двоичных разрядов, обрабатываемых за один такт, и количество разрядов, используемых для адресации оперативной памяти.
Архитектура персонального компьютера
Основной принцип построения ЭВМ носит название архитектуры фон Неймана - американского ученого венгерского происхождения Джона фон Неймана, который ее предложил.
Современную архитектуру компьютера определяют следующие принципы:
Принцип программного управления. Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий компьютера. Эффективность программного управления будет выше при решении задачи этой же программой много раз (хотя и с разными начальными данными).
Принцип программы, сохраняемой в памяти. Согласно этому принципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в оперативную память, что ускоряет процесс ее выполнения.
Принцип произвольного доступа к памяти. В соответствии с этим принципом, элементы программ и данных могут записываться в произвольное место оперативной памяти, что позволяет обратиться по любому заданному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих.
На основании этих принципов можно утверждать, что современный компьютер - техническое устройство, которое после ввода в память начальных данных в виде цифровых кодов и программы их обработки, выраженной тоже цифровыми кодами, способно автоматически осуществить вычислительный процесс, заданный программой, и выдать готовые результаты решения задачи в форме, пригодной для восприятия человеком.
Персональный компьютер типа IBM PC имеет довольно традиционную архитектуру микропроцессорной системы и содержит все обычные функциональные узлы: процессор, постоянную и оперативную память, устройства ввода/вывода, системную шину, источник питания.
Основные особенности архитектуры персональных компьютеров сводятся к принципам компоновки аппаратуры, а также к выбранному набору системных аппаратных средств.
Основные узлы компьютера следующие:
Центральный процессор — это микропроцессор со всеми необходимыми вспомогательными микросхемами, включая внешнюю кэш-память и контроллер системной шины. В большинстве случаев именно центральный процессор осуществляет обмен по системной шине.
Оперативная память может занимать почти все адресуемое пространство памяти процессора. Однако чаще всего ее объем гораздо меньше.. Оперативная память компьютера выполняется на микросхемах динамической памяти и поэтому требует регенерации.
Постоянная память (ROM BIOS — Base Input/Output System) имеет небольшой объем (до 64 Кбайт), содержит программу начального запуска, описание конфигурации системы, а также драйверы (программы нижнего уровня) для взаимодействия с системными устройствами.
Контроллер прерываний преобразует аппаратные прерывания системной магистрали в аппаратные прерывания процессора и задает адреса векторов прерывания. Все режимы функционирования контроллера прерываний задаются программно процессором перед началом работы.
Контроллер прямого доступа к памяти принимает запрос на ПДП из системной магистрали, передает его процессору, а после предоставления процессором магистрали производит пересылку данных между памятью и устройством ввода/вывода. Все режимы функционирования контроллера ПДП задаются программно процессором перед началом работы. Использование встроенных в компьютер контроллеров прерываний и ПДП позволяет существенно упростить аппаратуру применяемых плат расширения.
Контроллер регенерации осуществляет периодическое обновление информации в динамической оперативной памяти путем проведения по шине специальных циклов регенерации. На время циклов регенерации он становится хозяином (задатчиком) шины.
Перестановщик байтов данных помогает производить обмен данными между 16-разрядным и 8-разрядным устройствами, пересылать целые слова или отдельные байты.
Часы реального времени и таймер-счетчик — это устройства для внутреннего контроля времени и даты, а также для программной выдержки временных интервалов, программного задания частоты и т.д.
Системные устройства ввода/вывода — это те устройства, которые необходимы для работы компьютера и взаимодействия со стандартными внешними устройствами по параллельному и последовательному интерфейсам. Они могут быть выполнены на материнской плате, а могут располагаться на платах расширения.
Платы расширения устанавливаются в слоты (разъемы) системной магистрали и могут содержать оперативную память и устройства ввода/вывода. Они могут обмениваться данными с другими устройствами на шине в режиме программного обмена, в режиме прерываний и в режиме ПДП. Предусмотрена также возможность захвата шины, то есть полного отключения от шины всех системных устройств на некоторое время.
Важная особенность подобной архитектуры — ее открытость, то есть возможность включения в компьютер дополнительных устройств, причем как системных устройств, так и разнообразных плат расширения. Открытость предполагает также возможность простого встраивания программ пользователя на любом уровне программного обеспечения компьютера.
Первый компьютер семейства, получивший широкое распространение, IBM PC XT, был выполнен на базе оригинальной системной магистрали PC XT-Bus. В дальнейшем (начиная с IBM PC AT) она была доработана до магистрали, ставшей стандартной и получившей название ISA (Industry Standard Architecture). До недавнего времени ISA оставалась основой компьютера.
Однако, начиная с появления процессоров i486 (в 1989 году), она перестала удовлетворять требованиям производительности, и ее стали дублировать более быстрыми шинами: VLB (VESA Local Bus) и PCI (Peripheral Component Interconnect bus) или заменять совместимой с ISA магистралью EISA (Enhanced ISA).Постепенно шина PCI вытеснила конкурентов и стала фактическим стандартом, а начиная с 1999 года в новых компьютерах рекомендуется полностью отказываться от магистрали ISA, оставляя только PCI. Правда, при этом приходится отказываться от применения плат расширения, разработанных за долгие годы для подключения к магистрали ISA.
Другое направление совершенствования архитектуры персонального компьютера связано с максимальным ускорением обмена информацией с системной памятью. Именно из системной памяти компьютер читает все исполняемые команды, и в системной же памяти он хранит данные. То есть больше всего обращений процессор совершает именно к памяти. Ускорение обмена с памятью приводит к существенному ускорению работы всей системы в целом.
Но при использовании для обмена с памятью системной магистрали приходится учитывать скоростные ограничения магистрали. Системная магистраль должна обеспечивать сопряжение с большим числом устройств, поэтому она должна иметь довольно большую протяженность; она требует применения входных и выходных буферов для согласования с линиями магистрали. Циклы обмена по системной магистрали сложны, и ускорять их нельзя. В результате существенного ускорения обмена процессора с памятью по магистрали добиться невозможно.
Разработчиками был предложен следующий подход. Системная память подключается не к системной магистрали, а к специальной высокоскоростной шине, находящейся «ближе» к процессору, не требующей сложных буферов и больших расстояний. В таком случае обмен с памятью идет с максимально возможной для данного процессора скоростью, и системная магистраль не замедляет его. Особенно актуальным это становится с ростом быстродействия процессора (сейчас тактовые частоты процессоров персональных компьютеров достигают 1 - 3 ГГц).
Таким образом, структура персонального компьютера из одношинной, применявшейся только в первых компьютерах, становится трехшинной.
Назначение шин:
к локальной шине подключаются центральный процессор и кэш-память (быстрая буферная память);
к шине памяти подключается оперативная и постоянная память компьютера, а также контроллер системной шины;
к системной шине (магистрали) подключаются все остальные устройства компьютера.
Все три шины имеют адресные линии, линии данных и управляющие сигналы. Но состав и назначение линий этих шин не совпадают между собой, хотя они и выполняют одинаковые функции. С точки зрения процессора, системная шина (магистраль) в системе всего одна, по ней он получает данные и команды и передает данные как в память, так и в устройства ввода/вывода.
Временные задержки между системной памятью и процессором в данном случае минимальны, так как локальная шина и шина памяти соединены только простейшими быстродействующими буферами. Еще меньше задержки между процессором и кэш-памятью, подключаемой непосредственно к локальной шине процессора и служащей для ускорения обмена процессора с системной памятью.
Если в компьютере применяются две системные шины, например, ISA и PCI, то каждая из них имеет свой собственный контроллер шины, и работают они параллельно, не влияя друг на друга. Тогда получается уже четырехшинная, а иногда и пятишинная структура.