УМКДО -Информатика 2011

Тема 5 . Архитектура персонального компьютера. Информационно-логические основы построения

Архитектура фон Неймана

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки данных, изобретенного Джоном фон Нейманом.

Дж. фон Нейман придумал схему постройки компьютера в 1946 году. Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти.

В различных архитектурах и для различных команд могут потребоваться дополнительные этапы. Например, для арифметических команд могут потребоваться дополнительные обращения к памяти, во время которых производится считывание операндов и запись результатов.

Этапы цикла выполнения:

Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса и отдаёт памяти команду чтения.
Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных и сообщает о готовности.
Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её.
Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды.

Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).

Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода, — тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды остановка или переключение в режим обработки прерывания.

Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы.

Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой.

Основные характеристики модулей ЭВМ

Персональные компьютеры обычно состоят из следующих основных модулей:

Системный блок
Монитор
Клавиатура
Мышь

В системном блоке находятся все основные узлы компьютера:

материнская плата;
электронные схемы (процессор, контроллеры устройств и т.д.);
блок питания;
дисководы (накопители).

Материнская (системная, главная) плата является центральной частью любого компьютера, на которой размещаются в общем случае центральный процессор, сопроцессор, контроллеры, обеспечивающие связь центрального процессора с периферийными устройствами, оперативная память (RAM), кэш-память, элемент ROM-BIOS (базовой системы ввода/вывода), аккумуляторная батарея, кварцевый генератор тактовой частоты и слоты (разъемы) для подключения других устройств.

Общая производительность материнской платы определяется не только тактовой частотой, но и количеством (разрядностью) данных, обрабатываемых в единицу времени центральным процессором, а также разрядностью шины обмена данных между различными устройствами материнской платы.

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.

Производительность CPU характеризуется следующими основными параметрами:

степенью интеграции;
внутренней и внешней разрядностью обрабатываемых данных;

тактовой частотой;
памятью, к которой может адресоваться CPU.

Типы процессоров:

Complex instruction set computer (CISC) - вычисления со сложным набором команд. Процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд. Типичными представителями CISC являются микропроцессоры семейства x86
Reduced instruction set computer (RISC) - вычисления с упрощённым набором команд (в литературе слово «reduced» нередко ошибочно переводят как «сокращённый»). Архитектура процессоров, построенная на основе упрощённого набора команд, характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации.
Minimum instruction set computer (MISC) - вычисления с минимальным набором команд. Архитектура MISC строится на стековой вычислительной модели с ограниченным числом команд (примерно 20-30 команд).
Very long instruction word (VLIW) - сверхдлинное командное слово. Архитектура процессоров с явно выраженным параллелизмом вычислений, заложенным в систему команд процессора.
Многоядерные процессоры. Содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (на одном или нескольких кристаллах). Процессоры, предназначенные для работы одной копии операционной системы на нескольких ядрах, представляют собой высокоинтегрированную реализацию мультипроцессорности.

Память

В соответствии с принципом иерархии памяти выделяют внутреннюю и внешнюю память компьютера. Первая используется для временного хранения данных и программ при выполнении последних, а вторая - для долговременного хранения данных и программ.

Внутренняя память

Внутренняя память компьютера предназначена для оперативной обработки данных. Она является более быстрой, чем внешняя память, что соответствует принципу иерархии памяти, выдвинутому в проекте Принстонской машины. Следуя этому принципу, можно выделить уровни иерархии и во внутренней памяти.

Выделяют следующие виды внутренней памяти:

Оперативная. В нее помещаются программы для выполнения и данные для работы программы, которые используются микропроцессором. Она обладает большим быстродействием и является энергозависимой. Обозначается RAM - Random Access Memory -память с произвольным доступом.
Кэш-память (от англ. caсhe – тайник). Она служит буфером между RAM и микропроцессором и позволяет увеличить скорость выполнения операций, т.к. является сверхбыстродействующей.
Постоянная память - BIOS (Basic Input-Output System). В нее данные занесены при изготовлении компьютера.
Полупостоянная память - CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Хранит параметры конфигурации компьютера.
Видеопамять. Используется для хранения видеоизображения, выводимого на экран. Входит в состав видеоконтроллера.

Внешняя память

Внешняя память компьютера предназначена для долговременного хранения любого вида информации. Выключение компьютера не приводит к потере данных во внешней памяти. В настоящее время наиболее распространенными видами внешней памяти являются:

жесткие диски;
гибкие диски (дискеты);
лазерные диски (компакт-диски);
DVD-диски;
Flash-диски (USB карты памяти или Flash-брелоки).
Blu-ray Disc, BD - формат оптического носителя, используемый для записи с повышенной плотностью и хранения цифровых данных, включая видео высокой чёткости.

Мониторы

Они являются важнейшими устройствами отображения информации. В настоящее время существует большое разнообразие типов мониторов.

Цифровые (TTL) мониторы
Аналоговые мониторы
Жидкокристаллические дисплеи (LCD)

Принтер – устройство для вывода на бумагу текстов и графических изображений. Принтеры бывают матричные, струйные, лазерные.

Плоттер (графопостроитель) – устройство для вывода на бумагу чертежей. Обычный плоттер использует листы форматом А1. Скорость печати примерно 1 лист/час.

Дигитайзер – кодирующий планшет, применяется в паре со специальным программным обеспечением и позволяет профессионально рисовать, чертить на компьютере.

Сканер - это устройство ввода в PC цветного и черно-белого изображения с бумаги, пленки и т.п. Сканеры разделяют на ручные и планшетные.

Цифровая фотокамера – устройство для получения, хранения и передачи в компьютер фотоизображения.

Манипулятор мышь – устройство, при помощи которого позиционируется курсор на экране ПК.

Трекбол – подобен мышке перевернутой вверх ногами.

Для работы на компьютере с аудио-видео информацией понадобиться так называемый мультимедиа комплект, в который входит:

Звуковая карта – устройство, позволяющее на компьютере воспроизводить для прослушивания и записывать с внешнего источника различные звуки.

Звуковые колонки – делятся на активные и пассивные. Активные имеют встроенный усилитель мощности.

Для работы в глобальных компьютерных сетях необходим модем.

Модем – устройство, позволяющее компьютерам обмениваться друг с другом информацией по телефонному каналу. Делятся на внешние и внутренние. Внешние выполнены в виде отдельного устройства, подключаемого кабелем к системному блоку компьютера через порт (разъем)

Содержание