Аппаратные средства ПК Архитектура персонального компьютера

Аппаратные средства ПК

Архитектура персонального компьютера

Персональный компьютер – это многофункциональное электронное устройство, предназначенное для хранения, обработки и передачи информации. Под архитектурой персонального компьютера понимается его логическая организация, структура и ресурсы.

Основные принципы логического устройства ЭВМ и их структура были предложены математиком Джоном фон Нейманом в 1946 г.

Согласно принципам фон Неймана, компьютер должен иметь следующие устройства: • арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции; • устройство управления (УУ), которое организует процесс выполнения программ;

• запоминающее устройство (ЗУ), или память для хранения программ и данных; • внешние устройства для вводавывода информации.

Основополагающие принципы логического устройства ЭВМ – так называемые принципы Джона фон Неймана: • Принцип двоичного кодирования (вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов).

• Принцип программного управления (программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности). • Принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти).

• Принцип адресности (основная память состоит из пронумерованных ячеек одинаково легко доступны для других устройств).

Компьютеры, построенные на этих принципах, относят к типу «фоннеймановских» . На сегодняшний день это подавляющее большинство компьютеров, в том числе и IBM PCсовместимые. Но есть и компьютерные системы с иной архитектурой – например системы для параллельных вычислений.

Архитектура современных персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе. • Модульный принцип позволяет пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и при необходимости производить ее модернизацию.

• Магистральный принцип обмена информацией обеспечивает взаимодействие всех устройств с микропроцессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, называемую системной шиной.

Системная шина включает в себя: • Шину адреса (ША) которая обеспечивает передачу адресов ячеек памяти и устройств ввода/вывода, формируемых микропроцессором. Передача адресов в обратном направлении невозможна.

• Шину данных (ШД) которая используется для обмена данными между: микропроцессором и основной памятью; микропроцессором и портами устройств ввода/вывода; основной памятью и портами устройств ввода/вывода. ШД является двунаправленной, т. е. по ней возможна передача данных и в направлениях обратных указанным.

• Шину управления (ШУ) предназначенную для передачи сигналов управления работой всех элементов микропроцессорной системы.

Управление системной шиной осуществляется микропроцессором непосредственно, либо через дополнительную микросхему – контроллер шины. Все блоки подключаются к шине через соответствующие разъемы непосредственно или через специальные контроллеры (адаптеры).

Микропроцессор

Микропроцессор – это центральный блок персонального компьютера, предназначенный для управления работой всех остальных блоков, а также выполнения арифметических и логических операций над информацией.

Функции микропроцессора: • чтение и дешифрация команд из основной памяти и адаптеров внешних устройств; • выработка управляющих сигналов для всех узлов и блоков компьютера; • обработка данных и их запись в основную память, и регистры адаптеров внешних устройств.

В состав микропроцессора входят: • Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над информацией. • Устройство управления координирует взаимодействие различных частей компьютера.

• Микропроцессорная кэш-память предназначена для кратковременного хранения информации, используемой в ближайшие такты работы машины. • Интерфейсная система микропроцессора предназначена для обеспечения связи с другими устройствами компьютера

Устройство управления выполняет следующие основные функции: – формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления; – формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера.

Важнейшими характеристиками микропроцессора являются: • Тактовая частота указывает максимальное число элементарных операций выполняемых микропроцессором за одну секунду. Измеряется в Гц и определяется частотой импульсов генератора тактовых импульсов.

• Разрядность процессора – это максимальное количество разрядов двоичного кода, над которым единовременно может выполняться машинная операция. Определяет количество информации, передаваемой одним массивом (порцией) за один такт. • Размер кэш-памяти.

Для расширения и улучшения функциональных возможностей микропроцессора используются дополнительные платы. К ним относятся математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор вводавывода, контроллер прерываний и др.

• Математический сопроцессор используется для ускорения выполнения операций с числовой информацией. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно с основным микропроцессором, но под управлением последнего. В результате происходит ускорение выполнения операций в десятки раз. Модели микропроцессора, начиная с МП 80486 DX, включают математический сопроцессор в свою структуру.

• Контроллер прямого доступа к памяти освобождает микропроцессор от прямого управления накопителями на магнитных дисках, что существенно повышает 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.

Все микропроцессоры можно разделить на группы: • микропроцессоры типа CISC с полным набором системы команд; • микропроцессоры типа RISC с усеченным набором системы команд; • микропроцессоры типа VLIW со сверхбольшим командным словом; • микропроцессоры типа MISC с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием и др.

Запоминающие устройства ПК

Память – среда или функциональная часть ЭВМ, предназначенная для приема, хранения и избирательной выдачи данных.

Персональные компьютеры имеют следующие виды памяти: • микропроцессорная память; • ПЗУ (ROM, PROM, EEPROM); • CMOS-память; • оперативная память (ОЗУ, RAM, DRAM); • кэш-память (SRAM); • внешняя память.

ПЗУ (ROM – Read Only Memory, память только для чтения) предназначено для хранения постоянной программной и справочной информации. Данные в ПЗУ заносятся при изготовлении.

В ПЗУ находятся: • BIOS – небольшая программа, отвечающая за базовые функции и настройки оборудования; • программа управления работой процессора; • программа запуска и остановки компьютера;

• программы тестирования устройств, проверяющие при каждом включении компьютера правильность работы его блоков; • программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью.

В настоящее время используются перепрограммируемые ПЗУ, что позволяет менять их содержимое в процессе эксплуатации. ПЗУ является энергонезависимой памятью – при отключении питания информация в нем сохраняется.

«Энергонезависимая» CMOS-память, постоянно питается от своего аккумулятора. В ней хранятся параметры конфигурации компьютера, которые проверяются при каждом включении системы. Для изменения параметров конфигурации компьютера в BIOS содержится программа настройки конфигурации компьютера – SETUP.

Оперативная память (ОЗУ, RAM – Random Access Memory, память с произвольным доступом) предназначена для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), используемой компьютером в текущий период работы.

Все ячейки оперативной памяти объединены в группы по 8 бит (1 байт). Каждая такая группа имеет адрес, по которому к ней можно обратиться. ОЗУ является энергозависимой памятью, при выключении питания информация в нем теряется.

В современных ОЗУ используется динамическая память (DRAM). В которой для хранения разрядов (битов) используются микросхемы, состоящие из одного конденсатора и одного транзистора. Транзистор используется для управления, а запоминающим элементом служит конденсатор, который можно либо зарядить до величины логической « 1» , либо разрядить до логического « 0» .

• Достоинства – возможность создания на ограниченной площади кристалла кремния запоминающей матрицы огромной емкости и дешевизна производства.

• Недостаток – сравнительно невысокое быстродействие и не долговременность хранения заряда конденсатором (если конденсатор хранит значение « 1» , то каждые 2 миллисекунды возникает необходимость восстановления потерянного заряда – регенерации памяти).

В современных микросхемах динамической памяти SDRAM (Synchronous Dynamic RAM) используется DDR SDRAM (синхронная память с двойной скоростью передачи данных).

Для ускорения доступа к информации используется специальная сверхбыстродействующая кэшпамять, которая располагается как бы «между» микропроцессором и оперативной памятью, в ней хранятся копии участков оперативной памяти.

Процессор всегда в первую очередь обращается к кэш-памяти, а уж потом к другим источникам информации (основной и внешней памяти). Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор, согласно специальным алгоритмам, заносит его одновременно и в кэш-память.

В качестве КЭШ-памяти используется статическая память (SRAM), состоящая из электронных микроэлементов – триггеров, каждый из которых включает в себя несколько транзисторов.

Отличительной особенностью триггера как функционального устройства является свойство запоминания двоичной информации. Под памятью триггера подразумевают способность оставаться в одном из двух состояний после прекращения действия переключающего сигнала.

Приняв одно из состояний за « 1» , а другое за « 0» , можно считать, что триггер хранит (помнит) один разряд числа, записанного в двоичном коде. • Достоинство – быстродействие. • Недостаток – дороговизна, большое количество микроэлементов.

Внешние запоминающие устройства: • Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД, hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD), жёсткий диск – запоминающее устройство произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи (изменения направления магнитного поля отдельных областей).

Информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, находящиеся на одной оси и покрытые слоем ферромагнитного материала. Считывающие головки в рабочем режиме парят над поверхностью пластин.

• Накопители на оптических дисках используют оптический принцип записи и считывания информации с помощью лазерного луча. Основа диска изготавливается из поликарбоната, на который нанесён специальный отражающий слой, служащий для хранения информации.

При считывании информации с оптических дисков луч лазера падает на поверхность диска и отражается от поверхности с различными коэффициентами отражения меняя свою интенсивность (логические 0 или 1). Затем отраженные световые импульсы преобразуются с помощью фотоэлементов в электрические импульсы.

В процессе записи информации на оптические диски применяются различные технологии: от простой штамповки до изменения отражающей способности участков поверхности диска с помощью мощного лазера.

• Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД, floppy disk drive) – дисковод, предназначенный для считывания и записи информации с гибкого магнитного диска (дискеты). Хранение данных, представленных двоичным кодом, обеспечивает магнитный слой диска, который может иметь намагниченные и ненамагниченные участки.

Намагниченный участок поверхности кодируется как 1, ненамагниченный – как 0. • Флеш-накопители – запоминающее устройство, использующее в качестве носителя полупроводниковую энергонезависимую перезаписываемую память.

В простейшем случае каждая ячейка флэш-памяти хранит один бит информации и состоит из одного транзистора со специальной электрически изолированной областью – «карманом» . Принцип работы полупроводниковой технологии флешпамяти основан на изменении и регистрации электрического заряда в «кармане» .

Внешние устройства ПК

Внешние (периферийные) устройства персонального компьютера обеспечивают взаимодействие компьютера с окружающей средой (пользователями, объектами управления и другими компьютерами). Внешние устройства подключаются к компьютеру через специальные разъемы-порты ввода/вывода.

К внешним устройствам относятся: • устройства ввода информации; • устройства вывода информации; • диалоговые средства пользователя; • средства связи и телекоммуникации.

К устройствам ввода информации относятся: • клавиатура – устройство ручного ввода в компьютер числовой, текстовой и управляющей информации; • графические планшеты (дигитайзеры) – устройства ручного ввода графической информации путем перемещения по планшету специального указателя (пера);

• сканеры (читающие автоматы) – устройства автоматического считывания с бумажных или других носителей и ввода в компьютер текстов, графиков, рисунков, чертежей;

• устройства указания (графические манипуляторы) – устройства ввода графической и командной информации путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в компьютер (джойстик, мышь, трекбол, световое перо);

• сенсорные экраны – устройства ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея.

К устройствам вывода информации относятся: • графопостроители (плоттеры) – устройства векторной графики на бумажный носитель; • принтеры – печатающие устройства для вывода информации на бумажный носитель.

Виды принтеров: матричные, струйные, лазерные. • В матричных принтерах изображение формируется из точек, печать которых осуществляются тонкими иглами (9, 18, 24 иглы), ударяющими бумагу через красящую ленту.

• В печатающей головке струйного принтера имеются тонкие трубочки – сопла, через которые на бумагу выбрасываются мельчайшие капельки чернил. Матрица печатающей головки обычно содержит от 12 до 64 сопел.

• В лазерных принтерах применяется электрографический способ формирования изображений. Лазер служит для создания светового луча, вычерчивающего на поверхности светочувствительного барабана контуры изображения. Барабан при вращении проходит через контейнер, наполненный красящим составом (тонером), и тонер закрепляется на участках, имеющих статический заряд.

При дальнейшем вращении барабана происходит контакт его поверхности с бумажным листом, в результате чего происходит перенос тонера на бумагу. Лист бумаги с нанесенным на него тонером протягивается через нагревательный элемент, в результате чего частицы тонера закрепляются на бумаге.

К диалоговым средствам пользователя относятся: • видеотерминалы – устройства для отображения вводимой и выводимой информации. Видеотерминал состоит из видеомонитора (дисплея) и видеоконтроллера (видеоадаптера). • устройства звукового ввода/вывода. К ним относятся различные микрофонные акустические системы, а также синтезаторы звука.

• Видеоконтроллер (Video Display Controller, VDC) входит в состав видеокарты и представляет собой микросхему, являющуюся главным компонентом схемы формирования видеоизображения из двоичного кода.

• Монитор – устройство, предназначенное для визуального отображения информации. Основной характеристикой монитора является разрешающая способность, которая определяется максимальным количеством точек, размещающихся по горизонтали и по вертикали на экране монитора.

К устройствам связи и телекоммуникации относятся модем и сетевая карта (сетевой интерфейсный адаптер). • Модем – устройство для передачи компьютерных данных на большие расстояния по телефонным линиям связи.

Модем обеспечивает преобразование цифровых сигналов компьютера в переменный ток частоты звукового диапазона – этот процесс называется модуляцией, а также обратное преобразование, которое называется демодуляцией. Отсюда название устройства: модем – модулятор/демодулятор.

• Сетевая карта (англ. network interface controller) – периферийное устройство, позволяющее компьютеру взаимодействовать с другими устройствами сети. Передача осуществляется за счет изменения напряжения во времени. Сетевая карта оборудована собственным процессором и памятью. В зависимости от технологии сети используются сетевые карты с различными разъемами.