АРХИТЕКТУРА ПК Лекция № 2 Функциональная

АРХИТЕКТУРА ПК Лекция № 2

Функциональная схема ЭВМ АУ Процессор УУ Устройство ОЗУ Устройство ввода вывода ВЗУ Современный компьютер – очень сложное устройство. Однако при обучении программированию принято использовать простую функциональную схему, близкую к схеме фон Неймана

АРХИТЕКТУРА КОМПЬЮТЕРА - СОСТАВ УСТРОЙСТВ, ИХ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ВЗАИМОСВЯЗЬ.

Основы архитектуры ПК • Открытость – структура компьютера не является коммерческим секретом. • Модульность – компьютер состоит из модулей, каждый модуль может быть заменен. • Шинная организация – все устройства подключены к одному каналу, называемому общей шиной (системной магистралью); возможно свободное подключение новых модулей. • Открытость, модульность и шинная организация обеспечивают возможность модификации, усовершенствования компьютера.

Дисплей Материнская плата Видеоадаптер йс ПЗУ рфе Процессор н те BIOS. . . ОЗУ CMOS и ОЗУ Схема управления шиной АЛУ параллельный интерфейс Регистры магистральная шина инт Кэш се ерфей т с к о н т р о л л е р ы … ево УУ йа да пт НЖМД НГМД НКД ер интерфейс ГТИ Системный блок У ПК системный блок – в отдельном корпусе; Клавиатура У ноутбука – под клавиатурой.

Основные узлы системного блока • Электрические платы, содержащие одно или несколько устройств ПК (микропроцессор, оперативная память, контроллеры устройств и т. п. ). • Запоминающее устройство (накопитель) на жестком магнитном диске (винчестер), предназначенный для долговременного хранения больших объемов информации (сотни ГБ). • Другие устройства долговременной памяти.

Материнская плата (Mother. Board) – основная плата ПК. На ней находятся устройства: • процессор - основная микросхема, выполняющая математические и логические операции; • шины - набор проводников, по которым происходит обмен сигналами между устройствами компьютера; • оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) - набор микросхем, предназначенных для временного сохранения данных, пока включен компьютер; • постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) - микросхема, предназначенная для долговременного хранения данных, даже при отключенном компьютере; • энергонезависимая память (CMOS); • чипсет (микропроцессорный комплект) - набор микросхем, которые обеспечивают связь устройств материнской платы (процессор-ОЗУ) и устройств материнской платы с другими устройствами (процессор-жесткий диск); • разъемы для подсоединения дополнительных устройств (слоты).

Устройства процессора • АЛУ (арифметико-логическое устройство); • УУ (устройство управления); • Схема управления шиной; • Регистры процессора; Внутренняя • Кэш-память. память процессора Процессор – главная микросхема ПК!

Арифметико-логическое устройство Арифметико-логическое устройство - это блок ЭВМ, в котором происходит преобразование данных по командам программы: арифметические действия над числами, логические операции, преобразование кодов и др.

Устройство управления Управляющее устройство координирует работу всех блоков компьютера. В определенной последовательности оно выбирает из оперативной памяти команду за командой. Каждая команда декодируется, по потребности элементы данных из указанных в команде ячеек оперативной памяти передаются в АЛУ; АЛУ настраивается на выполнение действия, указанной текущей командой (в этом действии могут принимать участие также устройства ввода-вывода); дается команда на выполнение этого действия. Результаты выполнения команды могут передаваться в оперативную память. Для выбора команд в используется специальный регистр - СА.

Кэш-память процессора • Это сверхоперативная ассоциативная память. Сверхоперативная – существенно быстрее оперативной. Ассоциативная – данные извлекаются не по адресу, а по другим признакам (содержимому ячейки). • Затребованные процессором данные сохраняются в кэше, чтобы их можно было использовать при повторных запросах. Когда процессору требуются данные, он сначала обращается к кэш-памяти, и только тогда, когда там отсутствуют нужные данные, происходит обращение к оперативной памяти. Данные, которые долго не используются, заменяются новыми данными. • Чем больше размер кэш-памяти, тем большая вероятность, что необходимые данные находятся там. Поэтому высокопроизводительные процессоры имеют большие объемы кэш-памяти.

Кэш-память • В основе использования кэш-памяти (не только кэш-памяти процессора) лежат 2 принципа: 1. Принцип локальности программ. Обращение к памяти носит не случайный характер. Все данные программы лежат в одном месте памяти. 2. Принцип временной локальности. При считывании данных из памяти можно предположить с высокой степенью вероятности, что в ближайшем будущем она обратится к этим данным.

Кэш-память процессора • Первого уровня - выполняется на одном кристалле с процессором и имеет объем порядка несколько десятков Кбайт. • Второго уровня - выполняется на отдельном кристалле, близком к процессору, с объемом в сто и более Кбайт. • Третьего уровня - выполняется на отдельных быстродействующих микросхемах с расположением на материнской плате и имеет объем один и больше Мбайт.

Регистры процессора – самая быстрая память (быстрее кэша). Доступ к регистру – по номеру (адресу). Регистры процессора Общего назначения Специальные Для управления • Доступны для внешними программой программиста устройствами несистемных программ. Отвечают за состояние Отвечают за • Могут хранить исполняемой промежуточную связь процессора программы информацию, в частности с внешними (счетчик адресов, индексы массивов. устройствами. регистры флагов результатов, регистр стэка).

Основные параметры процессора • тактовая частота; • разрядность; • рабочее напряжение; • коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты; • размер кэш-памяти.

Тактовая частота • Тактовая частота определяет количество элементарных операций (тактов), выполняемые процессором за единицу времени. • Тактовая частота современных процессоров измеряется в МГц и ГГц. 1 Гц соответствует выполнению одной операции за одну секунду, 1 МГц=106 Гц. 1 ГГц = 103 МГц. • Чем больше тактовая частота, тем больше команд может выполнить процессор, и тем больше его производительность. Первые процессоры, которые использовались в ПК, работали на частоте 4, 77 МГц, сегодня рабочие частоты современных процессоров достигают имеют порядок нескольких ГГц.

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один такт. Разрядность процессора определяется разрядностью командной шины, то есть количеством проводников в шине, по которой передаются команды. Типичная разрядность современных процессоров равна 32.

Рабочее напряжение процессора обеспечивается материнской платой, поэтому разным маркам процессоров отвечают разные материнские платы. Рабочее напряжение процессоров не превышает 3 В. Снижение рабочего напряжения разрешает уменьшить размеры процессоров, а также уменьшить тепловыделение в процессоре, что разрешает увеличить его производительность без угрозы перегрева.

Размеры кэш-памяти • См. слайд 13

Магистральная шина состоит из трех основных шин: • шина данных; • адресная шина; • командная шина.

Адресная шина • По этой шине передаются адреса ячеек оперативной памяти. Именно из этой шины процессор считывает адреса команд, которые необходимо выполнить, а также адреса данных, с которыми оперируют команды. В современных процессорах адресная шина 32 -разрядная, то есть она состоит из 32 проводников.

Шина данных По этой шине происходит передача данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В современных ПК 32 - или 64 -разрядная.

Командная шина По этой шине из оперативной памяти поступают команды, выполняемые процессором. Команды представлены в виде байтов. Простые команды вкладываются в один байт, но есть и такие команды, для которых нужно два, три и больше байта. Большинство современных процессоров имеют 32 - разрядную командную шину, хотя существуют 64 - разрядные процессоры с командной шиной.

Внутренняя память ПК - все запоминающие устройства на материнской плате. Внутренняя память ОЗУ (RAM) ПЗУ (ROM) CMOS

Оперативное запоминающее устройство (Random Access Memory) • Оперативное - потому что быстрое (самое быстрое из всех устройств памяти, не входящих в состав процессора). • Random Access – случайный (произвольный) доступ – см. принцип адресности фон Неймана (доступ к ячейкам по адресу). • С ОЗУ работает процессор (берет информацию из ячеек памяти и записывает информацию в ячейки). • Данные в ОЗУ хранятся лишь временно, пока включен компьютер. • ОЗУ современных компьютеров - это массив кристаллических ячеек, способных сохранять данные. По физическому принципу ячейки бывают двух видов: микроконденсаторы (заряженный -1, незаряженный - 0) и триггеры; последние имеют большее быстродействие, большую стоимость и большие размеры. Как правило, микроконденсаторы используются для основной части ОЗУ, а триггеры – для кэша ОЗУ. Память на конденсаторах называется динамической, а память на триггерах – статической.

Характеристики ОЗУ • Объем (1 Гбайт, 2 Гбайта, …). • Время доступа к ячейкам (нс).

Постоянная память (Read Only Memory) • Микросхема ПЗУ способна продолжительное время сохранять информацию, даже при отключенном компьютере. • Программы, которые находятся в ПЗУ, "зашиты" в ней - они записываются в ПЗУ на этапе изготовления микросхемы. • Система программ, находящихся в ПЗУ, называется базовой системой ввода/вывода (Basic Input Output System - BIOS). Основное назначение BIOS состоит в том, чтобы проверить состав и трудоспособность системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жесткими и гибкими дисками. • BIOS работает сразу после включения компьютера.

Энергонезависимая память CMOS (Complementary-symmetry/metal-oxide semiconductor ) • CMOS хранит информацию о текущей конфигурации компьютера (составе, характеристиках и работоспособности устройств – гибких и жестких дисках, процессорах, … ). Эту информацию нельзя хранить ни в ОЗУ (исчезнет при выключении ПК), ни в ПЗУ (подлежит изменению). • Информация CMOS используется BIOS. • Микросхема памяти CMOS питается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. • Технология CMOS используется и в других целях. Это технология построения транзисторных схем. Она характеризуется малым потреблением энергии; в статическом состоянии энергия практически не потребляется; в основном энергия расходуется при переключении. CMOS-схемы также характеризуются высоким быстродействием, сложным технологическим процессом изготовления и малой плотностью упаковки.

Внешняя память ПК Внешняя память - это память, реализованная в виде внешних относительно материнской платы устройств (накопителей), предназначенных для долговременного хранения информации. Накопитель = носитель + привод Носитель - это физическое устройство среда хранения информации (магнитный диск, оптический диск, карта памяти). Привод - это механизм чтения-записи и соответствующие электронные схемы управления.

Какие бывают устройства внешней памяти? Внешняя память Оптические Флеш- … Жесткий магнитный диски (CD-ROM, карты CD-R, CD-RW, (винчестер) DVD, …) В системном блоке носитель и В системном блоке только привод

Оптические диски • Оптический диск — собирательное название для носителей информации, выполненных в виде дисков, чтение с которых ведётся с помощью оптического излучения. Диск обычно плоский, его основа сделана из поликарбоната, на который нанесён специальный слой, который и служит для хранения информации. Для считывания информации используется обычно луч лазера, который направляется на специальный слой и отражается от него. При отражении луч искажается мельчайшими выемками (питами, от англ. pit — ямка, углубление) на специальном слое, и это можно измерить.

Флеш-память (англ. Flash-Memory) • Флеш-память - это разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти. • Положительные свойства: компактность, дешевизна, низкое энергопотребление. • В основном используется в переносных устройствах. • широкое распространение получили USB флеш- накопители. • Не вытесняют ЖМД из-из более высокого соотношения цена / объем памяти.

Устройства ввода-вывода ПК Стандартные, без Периферийные которых (дополнительные) взаимодействие с ПК невозможно

Стандартные устройства ввода-вывода • Монитор • Клавиатура

Мониторы С электронно-лучевой Жидко- трубкой кристаллические Пучок электронов из Под действием напряжения электронной пушки молекулы поворачиваются, поэтому «бомбит» люминофорное меняется интенсивность покрытие экрана фильтрация световой волны Плазменные Изображение получается с помощью люминесцентных (газоразрядных) ламп. Излучаемый свет является результатом движения плазмы в условиях сильного электрического поля.

Формирование изображения на экране монитора Изображение – совокупность светящихся точек – пикселей. Цвет каждого пикселя – результат смешения трех цветов (красного, зеленого, синего). RGB Каждый пикселей состоит из трех подпикселей (кр. , зел. , син. ) ЭЛТ: подпиксель – электронная пушка. ЖКЭ: подпиксель – поляризованная молекула. Плазменный экран: подпиксель – маленькая люминесцентная лампа. Рис. Из статьи Дм. Чеканова

Достоинства и недостатки мониторов с электронно-лучевой трубкой - Большие габариты и большой вес. - Относительно высокое (особенно по ср. с ЖК) потребление энергии. - Генерация вредного для здоровья человека электромагнитного излучения (но: ЖК излучает поляризованный свет – неизвестно, как он влияет на человека). - На экране мерцание, блики – это вредно для глаз. Å Высокое качество изображения (хорошая цветопередача, качество при любом разрешении). Å Угол обзора большой.

Достоинства жидкокристаллических мониторов Å Плоский экран без бликов. Å Нет видимого мерцания, проблем с геометрией изображения и четкостью (в отличие от ЭЛТ). Å Низкая мощность потребления электрической энергии (~5 Вт, по сравнению, монитор с электронно- лучевой трубкой потребляет ~100 Вт). Å Низкий уровень электромагнитного излучения. Å Малые габариты и вес (по ср. с ЭЛТ). Å Не боится помех от электромагнитных полей.

Недостатки жидкокристаллических мониторов - В отличие от ЭЛТ, могут давать чёткое изображение лишь в одном ( «штатном» ) разрешении. Остальные достигаются интерполяцией с потерей чёткости. Причем слишком низкие разрешения (например 320× 200) вообще не могут быть отображены на многих мониторах. – Цветовой охват и точность цветопередачи ниже, чем у плазменных панелей и ЭЛТ соответственно. На многих мониторах есть неустранимая неравномерность передачи яркости (полосы в градиентах). – Нет глубокого черного цвета (выключенный пиксель излучает свет). – Фактическая скорость смены изображения также остаётся ниже, чем у ЭЛТ и плазменных дисплеев. – Зависимость контраста от угла обзора до сих пор остаётся существенным минусом технологии. – Массово производимые ЖК-мониторы плохо защищены от повреждений. Особенно чувствительна матрица, незащищённая стеклом. При сильном нажатии возможна необратимая деградация. Также существует проблема дефектных пикселей. Несмотря на недостатки, в настоящее время ЖК-мониторы являются одним из основных, бурно развивающимся направлением в технологии мониторов.

Достоинства плазменных мониторов Å Более сочные цвета и более широкий диапазон цветов, чем у ЖК-дисплеев. По ср. с ЭЛТ цветовой диапазон "плазмы" в ряде случаев бывает хуже. Å Углы обзора шире, чем у ЖК-дисплеев. Основной причиной является то, что пиксели в "плазме" сами излучают свет, а у ЖК-дисплеев свет от лампы подсветки проходит через кристалл пикселя. Å Контрастность "плазмы" аналогична лучшим ЭЛТ, глубокий черный свет (выключенный пиксель не излучает свет). Å Можно обеспечит лучшую яркость, чем даже у ЭЛТ (но не равномерно по экрану). Å Можно обеспечить большие размеры экрана при минимальной толщине.

Недостатки плазменных мониторов • Большой размер пикселей. Достичь размера пикселя меньше 0, 5 или 0, 6 мм практически невозможно. Поэтому плазменные экраны с диагональю меньше 32" (82 см) попросту не существуют. Для обеспечения достойного разрешения у производителей плазменных панелей нет другого выбора, кроме как повышать размер дисплея с 32 до 50 дюймов (с 82 до 127 см). • Полностью избавиться от мерцания на плазменных панелях не удаётся, особенно с близкого расстояния. Так что картинка на плазменном экране больше, но и сидеть от экрана надо дальше. • У пикселей плазмы выгорает люминофор (как у ЭЛТ). При долговременном выводе одной и той же картинки, она станет заметна на экране. • Энергопотребление выше, чем у ЖК-мониторов. • Высокая стоимость

Основные параметры мониторов • Размер экрана (диагональ – в дюймах (")). • Разрешающая способность (количество точек – пикселей – по горизонтали и вертикали экрана), например: 800 х600, 1024 х768, 1152 х864. • Частота регенерации (частота кадровой развертки). Показывает, сколько раз за 1 с монитор может полностью обновить изображение на экране. В настоящее время минимально допустимой считается частота в 75 Гц, нормальной - 85 Гц, комфортной - 100 Гц и больше. У ЖК-дисплеев эта частота~ 60 Гц. Этот параметр зависит и не только от монитора, но и от характеристик видеоадаптера. • Класс защиты - стандарт, которому отвечает монитор с точки зрения техники безопасности. Общепринятые международные стандарты TCO-92, TCO-95 и ТСО- 99 ограничивают уровни электромагнитного излучения и другие эргометрические и экологические характеристики в рамках, безопасных для здоровья человека.

Видеоадаптер (графический адаптер, видеокарта, видеоплата) – устройство управления монитором. Вставляется в слот материнской платы. Видеопамять – память, входящая в состав видеоадаптера, предназначенная для хранения или формирования изображения на экране. Необходимый объем видеопамяти зависит от требуемых разрешения монитора, количества цветов изображения и количества страниц изображения, хранимых в видеопамяти. Графический драйвер – программа, управляющая видеоадаптером.

Управление изображением на экране монитора ОЗУ Видео- память контроллер графический Видеоадаптер драйвер

Периферийные устройства ввода- вывода Мышь Принтеры Сканеры … Плоттеры