Архитектура современной вычислительной техники. Принципы фон Неймана. Устройства персонального компьютера. Внутренние устройства системного блока.

12 3

Компьютер — это многофункциональное электронное устройство, предназначенное для накопления, обработки и передачи информации.

Существуют различные классификации компьютеров, одной из которых является классификация по областям применения, согласно которой различают:

· персональные компьютеры,

· рабочие станции,

· серверы,

· Х-терминалы,

· мейнфреймы,

· кластерные архитектуры.

Или несколько иная классификация компьютеров:

Калькулятор
Консольный компьютер
Миникомпьютер
Мэйнфрейм
Персональный компьютер

Настольный компьютер
Ноутбук (Лэптоп)
Игровая приставка (Игровая консоль)
Карманный компьютер (КПК)
Коммуникатор
Смартфон
Надеваемый компьютер (носимый компьютер)
Планшетный персональный компьютер («Чистый планшетник», планшетный ноутбук, UMPC)

Рабочая станция
Сервер
Суперкомпьютер

По размерам и области применения все компьютеры можно разделить на 4 основных класса:

1) суперкомпьютеры - очень мощные, многопроцессорные, вычислительные машины, предназначенные для решения задач, требующих огромных объемов вычислений;

2) большие компьютеры (мейнфреймы) - многопользовательские, многопроцессорные, вычислительные машины, предназначенные для обработки больших объемов информации;

3) малые компьютеры - многопроцессорные вычислительные машины, занимающие промежуточное положение между мейнфреймами и ПК. Область применения - использование в крупных организациях и научных учреждениях, для которых недостаточно производительности обычных ПК;

4) микрокомпьютеры - включают несколько типов компьютеров:

4.1 ПК - однопользовательские микрокомпьютеры, выделяют две основные группы:

а) стационарные

б) портативные (ноутбуки, нетбуки, КПК)

4.2 рабочие станции - однопользовательские микрокомпьютеры, подключенные к компьютерной сети;

4.3 серверы - высокопроизводительные, многопользовательские микрокомпьютеры в вычислительных сетях.

Под архитектурой персонального компьютера понимается его логическая организация, структура и ресурсы, т. е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени.

В первых ЭВМ для генерации нужных сигналов необходимо было с помощью переключателей выполнить ручное программирование всех логических схем. Использовалась десятичная логика, при которой каждый разряд представлялся десятичной цифрой и моделировался 10 электронными лампами. В зависимости от нужной цифры одна лампа включалась, остальные девять оставались выключенными.

Известный немецкий математик Джон фон Нейман предложил схему ЭВМ с программой в памяти и двоичной логикой вместо десятичной.

Логически машину фон Неймана составляли пять блоков (рисунок 1):

· оперативная память,

· арифметико-логическое устройство (АЛУ) с аккумулятором,

· блок управления,

· устройства ввода,

· вывода.

АЛУ

аккумулятор

Оперативная память

Блок управления

Устройство вывода

Устройство ввода

Рисунок 1 – Схема машины фон Неймана

В основу построения большинства компьютеров положены принципы, сформулированные Джоном фон Нейманом:

1) принциппрограммного управления - программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

2) принциподнородности памяти - программы и данные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.

3) принципадресности- основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек.

Компьютеры, построенные на этих принципах, имеют классическую архитектуру.

Современные компьютеры, базируясь на тех же принципах, имеют некоторые отличия, обусловленные развитием техники и служащие решению важных для пользователя задач (рис. 2).

Рис.2 . Структурная схема современного ПК
Компьютер состоит из :

· АЛУ – арифметическое логическое устройство. Преобразует информацию, выполняя сложение, вычитание и основные логические операции «И», «ИЛИ», «НЕ»;

· УУ – устройство управления. Организует процесс выполнения программ;

· ОЗУ – оперативное запоминающее устройство, или память;

· УВВ – устройства ввода и вывода. Получают информацию извне, выводят ее получателю.

Достижения микроэлектроники позволили объединить в одной сверхбольшой интегральной схеме, называемой микропроцессором (МП) или процессором, АЛУ и УУ. Уменьшение габаритов ОЗУ позволило разместить МП и ОЗУ на одной электронной плате, называемой системной, или материнской. Все связи между отдельными устройствами объединены в пучок параллельных проводов – локальную или системную шину. В состав этой шины входят шина данных, по которой передаются из ОЗУ в МП также и команды, шина адреса и шина управления. УВВ включают УВВ и управляющие ими контроллеры (карты), включаемые в системную плату или установленные прямо на ней.

В современных ПК возможна также параллельная работа нескольких процессоров. За счет распараллеливания выполнения одной задачи или параллельного выполнения многих задач достигается увеличение общей производительности компьютера. Для этого предусматривают цепи, связывающие между собой отдельные процессоры. Двухпроцессорные машины отличаются от однопроцессорных прежде всего именно более «мягкой» реакцией на действия пользователя, особенно если в системе одновременно запущено несколько задач.

Важным элементом структуры современного компьютера и принципа его действия являются сигналы и понятия прерываний. Если в микропроцессор извне поступает сигнал запроса на прерывание, выполнение текущей программы приостанавливается, в заранее определенной области ОЗУ сохраняются все промежуточные результаты и адрес останова в программе, и микропроцессор выполняет специальную программу обработки прерывания, в которой указано, что надо сделать в этом случае. После ее завершения восстанавливаются все промежуточные результаты, и микропроцессор продолжает выполнение текущей программы с запомненного ранее адреса.

Архитектура компьютера определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера, к которым относятся:

· центральный процессор,

· основная память, внешняя память,

· периферийные устройства.

К аппаратному обеспечению вычислительных систем относятся устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию.

Современные компьютеры имеют блочно-модульную конструкцию, то есть аппаратную конфигурацию можно собрать из готовых блоков и узлов.

Согласование между отдельными узлами и блоками выполняют с помощью переходных аппаратно-логических устройств – аппаратных интерфейсов.

Интерфейсы делятся на последовательные и параллельные. Через последовательные интерфейсы данные передаются последовательно бит за битом, а через параллельный - одновременно группами битов. Количество бит, участвующих в одной посылке, определяется разрядностью интерфейса. Например, 8-разрядный параллельный интерфейс передает 1 байт (8 бит) за один цикл.

Конструктивно персональные компьютеры выполнены в виде центрального системного блока, к которому через специальные разъемы присоединяются другие устройства.

В состав системного блока входят все основные узлы компьютера:

блок питания,

· системная плата,

· накопитель на жестком магнитном диске,

· накопитель на гибком магнитном диске,

· накопитель на оптическом диске,

· разъемы для дополнительных устройств.

На системной (материнской) платеразмещаются:

· микропроцессор,

· математический сопроцессор,

· генератор тактовых импульсов,

· микросхемы памяти,

· контроллеры внешних устройств,

· звуковая и видеокарты,

· таймер.

Материнская (системная) плата – важнейший элемент ПК, к которому подключено всё то, что составляет сам компьютер (рис. 3).

Рис. 3. Системная плата MSI X48 Platinum

Таким образом, материнская плата, центральный процессор, оперативная память составляют основу ПК, от их производительности зависит производительность компьютера в целом. На материнской плате находятся специальные перемычки – джамперы, позволяющие подстроить ее под тип процессора и других устройств, устанавливаемых на ней. На материнской плате устанавливаются разъемы для установки дополнительных устройств – слоты расширения. Все дополнительные устройства взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных – шину. Виды слотов расширения различаются по типу шины.

Микропроцессор - это центральный блок персонального компьютера, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией. Микропроцессор выполняет следующие основные функции:

1) чтение и дешифрацию команд из основной памяти;

2) чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств;

3) прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств;

4) обработку данных, а также их запись в основную память и регистры адаптеров внешних устройств;

5) выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков компьютера.

В состав микропроцессора входят следующие устройства:

- арифметико-логическое устройство, предназначенное для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией;

- устройство управления, координирующее взаимодействие различных частей компьютера;

- микропроцессорная память, предназначенная для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно в ближайшие такты работы машины;

- интерфейсная система микропроцессора, служащая для связи с другими устройствами компьютера.

Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему – тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных сантиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора (рис. 4). Микропроцессор установлен на материнской плате и связан с ней интерфейсом процессорного разъема (Socket).

Рис. 4. Процессоры Pentium 4 (слева) и Pentium D (справа)

К микропроцессору и системной шине наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора.

К ним относятся:

· математический сопроцессор,

· контроллер прямого доступа к памяти,

· сопроцессор ввода-вывода,

· контроллер прерываний и другие.

Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно с основным микропроцессором, но под его управлением. В результате выполнения операций ускоряется в десятки раз. Начиная с МП 80486 DX, модели микропроцессоров включают в свою структуру математический сопроцессор. Контроллер прямого доступа к памяти освобождает микропроцессор от прямого управления накопителями на магнитных дисках, что существенно повышает эффективное быстродействие компьютера.

Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с микропроцессором значительно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств, освобождает микропроцессор от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует режим прямого доступа к памяти.

Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в микропроцессор.

Все микропроцессоры можно разделить на группы:

1) микропроцессоры типа CISC с полным набором системы команд;

2) микропроцессоры типа RISC с усеченным набором системы команд;

3) микропроцессоры типа VLIW со сверхбольшим командным словом;

4) микропроцессоры типа MISC с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием и другие.

Важнейшими характеристикамимикропроцессораявляются:

· тактовая частота,

· разрядность процессора,

· адресное пространство.

12 3

Дата добавления: 2016-05-31; просмотров: 6321;