Архитектура ПК Магистрально-модульный принцип построения Архитектура ЭВМ

Архитектура ПК Магистрально-модульный принцип построения

Архитектура ЭВМ – совокупность сведений об основных устройствах компьютера и их назначении, о способах представления программ и данных в машине, об особенностях её организации и функционирования. Характеристика ЭВМ складывается из трёх основных компонентов: 1. Вычислительные возможности ЭВМ (система команд используемые форматы данных, характеристики быстродействия) 2. Аппаратная платформа (структура ЭВМ, организация памяти и системы ввода-вывода) 3. Программное обеспечение (ОС, системы программирования, прикладные программы) Современные компьютеры с открытой архитектурой строятся по модульно-магистральному принципу (Дж. фон Неймана) В состав любого компьютера входят : Память – группа устройств, обеспечивающих хранение данных и программ Процессор (АЛУ+УУ) – обеспечивает задаваемую программой обработку данных Системная магистраль – обеспечивает связь всех устройств компьютера Устройства ввода/вывода – группа устройств, обеспечивающих обмен данных между пользователем и машиной или двумя машинами

Поколения ЭВМ 1 поколение: 1948 -1859 гг; электронно-вакуумные лампы; перфоленты, перфокарты; язык машинных команд 2 поколение: 1959 -1963 гг; транзисторы; магнитные барабаны и ленты, языки программирования высокого уровня 3 поколение: 1964 -1976 гг, интегральные схемы, магнитные диски, дисплей, графопостроители; ОС, алгоритмические языки 4 поколение: с 1977 г; БИС и СБИС; цветной дисплей, мышь, магнитные и оптические диски; пакеты прикладного ПО, сетевое ПО, развитие языков программирования

Структура персонального компьютера Согласно ГОСТ 27201 -87 персональный компьютер должен состоять из: 1. • • • Базового комплекта Микропроцессор ОЗУ и ПЗУ Основные периферийные устройства: клавиатура, дисплей Средства подключения основных периферийных устройств (адаптеры и контроллеры) Базовое ПО: ОС, программы контроля работоспособности ПК и пакеты ПП общего назначения Источник питания 2. Периферийных устройств 3. Других технических и программных средств, необходимых для удовлетворения запросов пользователя Современные компьютеры с открытой архитектурой строятся по модульно-магистральному принципу

Структурная схема персонального компьютера

Один из основных принципов – принцип микропрограммного управления Принцип микропрограммного управления Любое цифровое устройство, входящее в состав ЭВМ, состоит из двух частей: управляющей и операционной. Исходная информация Управляющий сигнал Операционная часть Обработанная информация Управляющая часть Сигнал о состоянии ОЧ Микропрограмма – это последовательность микрокоманд, обеспечивающая выполнение данной операции Микрокоманда – совокупность микроопераций, выполняемых в данном машинном такте. В частном случае может быть одна микрооперация. Микрооперация – элементарное действие (например: обнуление регистра, приём кода и пр. )

В системном блоке располагаются основные узлы компьютера: • блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электросхемы; • материнская плата, на которой располагаются электронные схемы, управляющие работой компьютера: микропроцессор, набор микросхем, оперативная память, контроллеры внешних устройств, видеокарта и т. д. ; • накопитель на гибких магнитных дисках; • накопитель на жёстких магнитных дисках, предназначенный для работы с несъёмным пакетом жёстких магнитных дисков Материнская плата - является основной в системном блоке и содержит компоненты, определяющие модель и основные технические характеристики компьютера. Системные платы исполняются на основе наборов микросхем, которые называются чипсетами (Chip. Sets). Часто на системных платах устанавливают и контроллеры дисковых накопителей, видеоадаптер, контроллеры портов и др. В гнёзда расширения системной платы (слоты) устанавливаются платы периферийных устройств (модем, сетевая плата, видеоплата и т. п. ) Периферийные устройства подключаются с помощью последовательных (СОМ), параллельных (LPT) или USB портов.

Микропроцессор – устройство ЭВМ, предназначенное для обработки различных видов информации и управления взаимодействием всех устройств ЭВМ. Аппаратно реализуется на большой интегральной схеме (20 х20 мм): Pentium 4 – 42 мил. функциональных элементов (переключателей) размером около 0, 13 микрон. Встроенный сопроцессор выполняет обработку данных «с плавающей точкой» . Регистры – внутренние ячейки процессора Основные характеристики – тактовая частота (3 ГГц), разрядность, размер кэш-памяти, модель. Тактовая частота (количество тактов в сек). Такт – промежуток времени между началами подачи двух последовательных импульсов генератором тактовой частоты, синхронизирующим работу узлов компьютера. Измеряется в МГЦ и ГГц. 1 МГц=1 мил так/сек. С 1978 года так. част. выросла с 5 МГц до 3 ГГц Разрядность. Определяется количеством двоичных разрядов, которые могут передаваться или обрабатываться процессором одновременно. (от 8 до 64) Производительность процессора зависит от тактовой частоты, разрядности и особенностей архитектуры (наличие кэш-памяти и др. )

Процессор может выполнять четыре основных математических действия: сложение, вычитание, умножение и деление над двоичными числами, а, кроме того, операции компьютерной логики: сравнение, условный переход и повторение. Система команд процессора - совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор (Pentium – более тысячи) CISC – расширенная система команд RISC – сокращённая система команд

С внешними устройствами процессор может обмениваться данными благодаря общей шине или магистрали, в состав которой входят шины адреса, данных и управления. Шина данных. Передаются данные между различными устройствами в любом направлении. Например, из ОЗУ в процессор и обратно. Разрядность определяется разрядностью процессора, т. е. количеством разрядов, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно: 8, 16, 32, 64 бита. Шина адреса. Выбор устройства для передачи данных осуществляет процессор, передавая адрес устройства по шине адреса в одном направлении. Разрядность определяется объёмом адресуемой памяти (количество однобайтовых ячеек, имеющих уникальные адреса) N=2 I, где I – разрядность шины. В современных компьютерах составляет 36 бит или 68 719 476 736 Шина управления. Передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали: какую операцию нужно произвести, синхронизируют обмен информацией между устройствами и пр.

Память ЭВМ – совокупность всех устройств, служащих для запоминания, хранения и выдачи информации. Отдельные устройства, входящие в эту совокупность называются запоминающими устройствами (ЗУ) Основные характеристики: • ёмкость – определяется максимальным количеством данных, которые могут в ней храниться; • быстродействие – определяется продолжительностью обращения к ЗУ; • разрядность – оценивается количеством двоичных разрядов, которые можно разместить в ячейке памяти.

Классификация запоминающих устройств • по назначению -СОЗУ (сверхоперативные); - БЗУ (буферные); - ОЗУ (оперативные); - ПЗУ (постоянные); - ВЗУ (внешние); • по физическим принципам работы - магнитные; -механические; - электронные; - криогенные; - оптические; • по способу размещения и поиска информации - адресные; - безадресные; • по характеру хранимой информации - статические; - динамические.

Иерархические уровни памяти Уровень памяти с большей ёмкостью имеет меньшее быстродействие. 1. Сверхоперативные (СОЗУ) – имеют наибольшее быстродействие и служат для хранения ряда чисел, необходимых для выполнения некоторой текущей последовательности команд программы. 2. Оперативные (ОЗУ) – хранят данные и программы, которые находятся в работе. 3. Буферные (БЗУ) – служат для промежуточного хранения информации при обмене данными между устройствами, работающими с разной скоростью. 4. Внешние (ВЗУ) – хранят большие массивы информации и работают со сравнительно малой скорость. Обмен информацией между СОЗУ, БЗУ ведётся отдельными машинными словами, а в ВЗУ – большими массивами информации. 5. Постоянные (ПЗУ) – служат для длительного хранения неизменяемой информации.

Оперативная память (RAM)(ОЗУ) - устройство, предназначенное для хранения выполняющихся в текущий момент программ и данных, необходимых для их выполнения. Изготовляется в виде модулей памяти. Виды оперативной памяти: 1. Статическая память (SRAM) в современных ПК обычно применяется в качестве кэш-памяти второго уровня для кэширования основного объема ОЗУ 2. Динамическая память (DRAM) в современных ПК используется в качестве оперативной памяти общего назначения, а также как память для видеоадаптера. Стандартный модуль памяти – 512 Мб Энергозависимость ПЗУ - постоянное запоминающее устройство (BIOS - Basic Input/Output System) - микросхема с записанным набором программ: - программу первоначальной загрузки компьютера. - программу первоначального тестирования компьютера. - базовую систему ввода-вывода. Энергонезависимая память (CMOS-память, Complementary Metal-Oxid-Semicondactor) : хранит параметры конфигурации компьютера.

Устройства долговременного хранения информации Внешние запоминающие устройства Ленточные Дисковые Магнитные Бобинные Кассетные Сменные носители Оптические Смешанные Несменные носители

Жёсткий диск (HDD – Hard Disk Drive) или ВИНЧЕСТЕР Основные характеристики - ёмкость (от сотен Мегабайт до десятков Гбайт); - скорость вращения шпинделя (7200 оборотов в минуту); - время поиска данных (среднее — 10 мс); - максимальная скорость передачи данных (до 130 Мбайт/с). 24 дюйма, 5 Мб 30/30 Все современные накопители снабжаются встроенным кэшем (64 Кбайт и более), который существенно повышает их производительность. Дисководы магнитных дисков Основные характеристики Скорость передачи данных Среднее время доступа Объем буферной памяти Тип интерфейса Перечень поддерживаемых форматов Конструкция приводов

Устройства ввода информации устройство + драйвер Клавиатура - совокупность механических датчиков, воспринимающих давление на клавиши и замыкающих тем или иным образом определенную электрическую цепь по конструкции: • мембранные; • индуктивные; • емкостные; • с датчиками Холла. по интерфейсу: • DIN; • PS/2 (mini DIN); • USB. по типу соединения: • проводные • беспроводные

Мышь по конструкции: по интерфейсу: механические RS-323 оптико-механические PS/2 (mini DIN) оптические USB по способу подключения проводные • оптико-механические • оптические беспроводные • радио • инфракрасные

Видеосистема: видеокарта + монитор Видеокарта - это контроллер монитора. Основные характеристики: скоростью работы (определяется набором микросхем (chipset)), объём памяти, марка. Существует несколько стандартов видеокарт. Собственная память является важным элементом видеоподсистемы. Память видеоадаптера часто называют видеопамятью, или фрейм-буфером. Основные характеристики монитора: • размер точки (пиксела); • частота кадровой развертки; • угол обзора; • разрешающая способность (количество точек, с помощью которых на экране воспроизводится изображение) - 800*600; 1024*768 точек. Для мониторов с большой диагональю может использоваться разрешение 1152*864 точки; • палитра (количество цветов, которые используются для воспроизведения изображения): 4 цвета, 16 цветов, 256 оттенков серого цвета, 216 цветов в режиме называемом High color или 224 цветов в режиме True color; • диагональ экрана и видимая диагональ (от15 дюймов -1 дюйм=2, 54 см). В текстовом режиме экране обычно разбивается на 25 строк по 80 символов в строке. В каждую позицию экрана может быть выведен один из 256 символов. В графическом режиме экран разделяется на отдельные светящиеся точки, пиксели, количество которых зависит от типа дисплея (640 на 480); • кривизна экрана; • принцип формирования изображения. Все современные видеоподсистемы могут работать в одном из двух основных видеорежимах: текстовом и графическом.

По типу использованных технологий МОНИТОРЫ ИЗЛУЧАЮЩИЕ ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВАЯ ТРУБКА (CRT) СВЕТОПРОПУСКАЮЩИЕ ПЛАЗМЕННАЯ ПАНЕЛЬ (PDP) ЖИДКОКРИСТАЛ ЛИЧЕСКИЙ ДИСПЛЕЙ (LCD) ЭЛЕКТРОХИМИ ЧЕСКИЙ ДИСПЛЕЙ (ЕCD) ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ ДИСПЛЕЙ (ELD) СВЕТОДИОДНЫЙ ДИСПЛЕЙ (LED) ВАКУУМНЫЙ ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ ДИСПЛЕЙ (VFD) СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ПОЛИМЕРЫ ОРГАНИЧЕСКИЙ СВЕТОДИОДНЫЙ ДИСПЛЕЙ (OLED) С ПАССИВНОЙ МАТРИЦЕЙ С АКТИВНОЙ МАТРИЦЕЙ

Звуковая карта обеспечивает синтез звука Основные характеристики - качество звука (частотный диапазон воспроизведения и записи (от 20 Гц до 25 КГц), стерео- или монозвучание, наличие систем цифровой фильтрации); - количество каналов воспроизведения и записи (2, 4, 6, 10 и более); - разрядность шины данных (8 -, 16 - и 32 -разрядные); - наличие синтезатора и число его голосов и пр. Для объединения компьютеров в сеть и организации передачи информации посети необходимы сетевые карты модемы Сетевой адаптер для PCI-слота

Дополнительные устройства ввода/вывода Сканеры Основные характеристики • разрешающая способность • количество воспринимаемых оттенков • возможность ввода цветных изображений • размер обрабатываемых изображений • быстродействие • стоимостью По технологии работы (планшетные) • однопроходные • двупроходные По конструктивному исполнению • ручные • планшетные • барабанные • трёхмерные • протяжные • штрих-кода • узи

Принтер По способу печати • последовательные • строчные • страничные По технологии печати • символьные • матричные • • • Основные характеристики принтеров скорость печати; разрешающая способность (разрешение); объём встроенной памяти; ресурс; интерфейс; требования к качеству бумаги. По принципу нанесения изображения на бумагу • ударного действия • безударного действия • лазерные • струйные • матричные • с термопереносом восковой мастики • с термосублимацией • с изменением фазы красителя

Видео-, фото-, Web-камера Световое перо Сенсорная панель Дигитайзер Джойстик Плоттер (графопостроитель) • лазерные • струйные • перьевые Системы виртуальной реальности Проектор • LCD-проектор Датчики • DLP-проектор • проекторы на ЭЛТ Микрофон Акустические системы

Аппаратный интерфейс Коммуникационные порты COM-порт (последовательный порт) используется для подключения мыши, модема и других устройств. PS/2 используется для подключения клавиатуры и мыши LPT-порт (параллельный порт) используется для подсоединения внешних устройств: принтеров, сканеров USB – порт (последовательный с высокой производительностью). Шина USB (Universal Serial Bus) - универсальная шина, предназначенная для легкого и быстрого подключения внешних устройств, имеет достаточно большую скорость