Структура персонального компьютера. Лекции по дисциплине «информатика», ЭТАФ КГЭУ, 2002-2003 УЧ. Г. , II семестр

Лекции по дисциплине «Информатика», ЭТАФ КГЭУ, 2002-2003 уч.г., II семестр

Структура персонального компьютера

Архитектура ЭВМ — это многоуровневая иерархия аппаратурно-программных средств, из которых состоит ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. К наиболее существенным свойствам архитектуры и характеристикам ЭВМ общего назначения можно отнести: 1) универсальность; 2) совместимость; 3) развитое программное обеспечение; 4) агрегатность технических средств и широкая номенклатура внешних (периферийных) устройств; 5) высокая технологичность; 6) соответствие широко распространенным стандартам.

1) Универсальность обеспечивает возможность одинаково решать задачи различных клас-сов практически для всех областей деятельности. Это достигается прежде всего:

— универсальной системой команд, содержащей кроме операций двоичной арифметики полный набор операций десятичной арифметики с операндами (т.е. элементами данных, над кото-рыми выполняется операция);

— универсальной логической структурой, имеющей обязательные (стандартные) аппаратные и программные средства для всех моделей ЭВМ, образующих единое семейство;

— сбалансированностью входящих в нее устройств по быстродействию и потокам информа-ции между ними.

2) Совместимость достигается аппаратно-программными средствами с целью создания еди-ного прикладного и системного программного обеспечения для всех моделей ЭВМ общего назна-чения одного семейства. За счет совместимости обеспечивается одинаковость результатов про-грамм и перенос программных средств между различными моделями ЭВМ. Достижение полной совместимости (абсолютной) представляется очень сложной задачей, поэтому в большинстве слу-чаев ограничиваются частичной совместимостью, а именно, совместимостью «снизу — вверх», при которой программы, разработанные для менее мощной ЭВМ (младшей), должны обязательно и с тем же результатом проходить на более мощной ЭВМ (старшей). Перенос «сверху — вниз» ограничен. Но даже в этом случае должна обеспечиваться совместимость по крайней мере на 4-х уровнях аппаратно-программных средств: 1) операционной системы и пакетов ее расширяющих; 2) языковых интерфейсов; 3) системы программ; 4) пользовательских средств.

3) Развитие программного обеспечения ориентированного на конкретные структурные и функциональные возможности аппаратуры, позволяющие эффективно решать задачи пользовате-ля. Для ЭВМ общего назначения ОС стала неотъемлемой частью, представляющей собой про-граммное расширение аппаратных средств ЭВМ.

4) Агрегатный принцип построения технических средств, стандартный интерфейс ввода-вывода, позволяющий подключать различные по назначению периферийные устройства (ПУ) ши-рокой номенклатуры; в совокупности с программным обеспечением позволяют строить конкрет-ный вычислительный комплекс, наиболее подходящий для заданного применения с учетом требо-ваний и производительности, функциональным возможностям и набору ПУ.

5) Высокая технологичность обеспечивает возможность крупносерийного производства и высокую технико-экономическую эффективность ЭВМ общего назначения.

6) Соответствие стандартам позволяет обеспечить совместимость с мировым парком ЭВМ общего назначения в части представления информации, способов сопряжения и организации об-мена данными.

Обычно персональный компьютер состоит из трех частей — системного блока, клавиатуры, монитора. Компьютеры выпускаются также в портативном варианте — как дипломат (лэптоп), блокнотном (ноутбук) и карманном (palm, КПК) исполнении. Здесь системный блок, монитор и клавиатура заключены в один корпус: системный блок "спрятан" под клавиатурой, а монитор сде-лан как крышка к клавиатуре. В некоторых реализациях привычная клавиатура может вовсе отсут-ствовать.

Системный блок выглядит наименее эффектно, но именно он является в главным. В нем рас-полагаются все основные узлы компьютера:

— электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессоры, оперативная

память, контроллеры устройств);

— блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток низкого напряже-ния, подаваемый на электронные схемы компьютера;

— устройства для чтения и чтения/записи информации на переносимые накопители (диске-ты, компакт-диски или DVD-диски, дискеты JAZ, ZIP, PC-карты и т.д.);

— накопитель на жестких магнитных дисках, предназначенные для чтения и записи на не-съемные жесткие магнитные диски (винчестер).

Микропроцессор, также часто называемый ЦПУ (CPU - central processing unit) – важ-нейший элемент компьютера, так как им в основном определяется скорость работы компьютера. Со времени появления персональных компьютеров (ПК) сменилось несколько поколений процес-соров, начиная с модели под названием «8088», и заканчивая «Pentium IV» сегодня, причем это не предел, полным ходом идет разработка новых моделей и новых технологий, призванных сменить микропроцессорную технологию тогда, когда она исчерпает свои возможности.

Процессоры персональных компьютеров, совместимых с IBM PC, основаны на оригиналь-ном дизайне Intel (Integrated Electronics). Первым примененным в этой серии процессором был ин-теловский чип 8088. В то время Intel располагал также более мощным процессором 8086, но 8088 был выбран по соображениям экономии: его 8-битная шина данных допускала более дешевые сис-темные платы, чем 16-битная у 8086. Также во время проектирования первых PC большинство доступных интерфейсных микросхем использовали 8-битный дизайн. Те первые процессоры даже не приближаются к мощи, достаточной для запуска современных приложений.

Третье поколение процессоров, основанных на Intel 80386SX и 80386DX, были первыми применяемыми в PC 32-битными процессорами. Кроме того, 386SX был 32-разрядным только внутри, поскольку он общался с остальными устройствами по 16-разрядной шине. Это значит, что данные между процессором и остальным компьютером перемещались на вдвое меньшей скорости, чем у 386DX.

Четвертая генерация процессоров была также 32-разрядной. Однако они предлагали ряд усо-вершенствований. Во-первых, была полностью пересмотрена архитектура, что само по себе уд-воило скорость. Во-вторых, все они имели 8kb внутреннего встроенного кэша. Такое кэширование передачи данных от основной памяти значило, что среднее ожидание процессора запросов к памя-ти на системной плате сократилось до 4%, поскольку, как правило, необходимая информация уже находилась в кэше.

Важной инновацией было удвоение частоты, введенное в 486DX2. Это значит что внутри процессор работает на удвоенной по отношению ко внешней электронике скоростью. Данные ме-жду процессором, внутренним кэшем и сопроцессором передаются на удвоенной скорости, приво-дя к сравнимой прибавке в производительности. 486DX4 развил эту технологию дальше, утраивая частоту до внутренних 75 или 100MHz, а также удвоив объем первичного кэша до 16kb.

Pentium, следующее поколение процессоров, значительно превзошел в производительности предшествующие 486 чипы благодаря нескольким архитектурным изменениям, включая увеличе-ние ширины шины до 64 бит. Процессор P55C MMX сделал дальнейшие значительные усовер-шенствования, удвоив размер первичного кэша и расширив набор инструкций оптимизированны-ми для мультимедиа-приложений операциями.

Pentium Pro, появившись в 1995 году как наследник Pentium, был первым в шестом поколе-нии процессоров и ввел несколько архитектурных особенностей, не встречавшихся ранее в мире PC. Pentium Pro стал первым массовым процессором, радикально изменившим способ выполнения инструкций переводом их в RISC-подобные микроинструкции и выполнением их в высокоразви-том внутреннем ядре. Он также замечателен значительно более производительным вторичным кэшем относительно всех прежних процессоров. Вместо использования базирующегося на сис-темной плате кэша, работающего на скорости шины памяти, он использует интегрированный кэш второго уровня на своей собственной шине, работающей на полной частоте процессора, обычно в три раза быстрее кэша на Pentium-системах.

Следующий новый чип после Pentium Pro Intel представил спустя почти полтора года - поя-вился Pentium II, давший очень большой эволюционный шаг от Pentium Pro. Это распалило спеку-ляции, что одна из основных целей Intel в производстве Pentium II был уход от трудностей в изго-товлении дорогого интегрированного кэша второго уровня в Pentium Pro. Архитектурно Pentium

II, а также следующие за ним Pentium III и ранние модели Pentium IV, не очень отличаются от Pentium Pro с подобным эмулирующим x86 ядром и большинством схожих особенностей.

Одно из новейших усовершенствований архитектуры, примененное в процессорах Pentium IV — так называемый hyper-threading, благодаря которому процессор, представляющий собой од-но физическое устройство, остальными устройствами компьютера видится как два процессора. По сути, мы получаем двухпроцессорную рабочую станцию.

Итак, параметры процессора:

— разрядность – ширина "такта", по которому передается информация: 8, 16, 32 или 64 би-та;

— тактовая частота, характеризующая число команд, выполняемых процессором за одну секунду (измеряется в мегагерцах (МГц)). Обычно по тактовой частоте сравнивают быстродейст-вие процессора в пределах одного семейства.

Микропроцессор включает в себя:

— арифметико-логическое устройство, которое выполняет операции (микрооперации), не-обходимые для выполнения команд микропроцессора;

— устройство управления, управляет всеми частями компьютера посредством принципов программного управления;

— микропроцессорная память (МПП). В микропроцессоре есть несколько ячеек собствен-ной памяти, они называются регистрами. Некоторые из них предназначены для хранения операн-дов – величин, участвующих в текущей операции. Такие регистры называются регистрами общего назначения.

Регистр команд предназначен для хранения текущей команды. В регистре – счетчике команд хранится текущий адрес. Перед выполнением программы необходимо задать ее начальный адрес – записать его в счетчик команд.

Через интерфейсную систему, основу которой составляет системная шина персонального компьютера, микропроцессор соединяется с:

а) основной памятью компьютера:

— оперативное запоминающее устройство (RAM) хранит работающую программу и дан-ные;

— постоянное запоминающее устройство (ROM) хранит информацию, которая необходима для постоянной работы.

RAM и ROM разбиты на ячейки, каждой из которых присвоен порядковый номер (адрес).

б) внешней памятью:

— накопители на жестких магнитных дисках – устройства с несъемными носителями (вин-честеры). Жесткие диски служат для постоянного хранения в компьютере программ и данных. Выполнение большинства современных прикладных программ без них невозможно. Обычно жесткие диски, в отличие от имеющих меньшую емкость дискет, нельзя снять, поэтому их иногда называют несъемными дисками. Существуют и съемные жесткие диски. Они ценны, когда нужно сохранять конфиденциальность информации и как средство переноса больших объемов данных между компьютерами. Емкость современных накопителей на жестких магнитных дисках достига-ет многих Гбайт.

— в качестве переносимых носителей информации более популярны накопители на оптиче-ских дисках (CD, DVD) благодаря большой емкости и надежности, а также крайне невысокой стоимости.

— накопители на гибких магнитных дисках. Для данных накопителей носителями являются дискеты (флоппи-диски), в последнее время постепенно выходящие из повсеместного использова-ния по причине невысокой надежности и малого объема.

в) с монитором через видеоадаптер.

г) с принтером через адаптер принтера.

д) с источником питания.

ж) с каналом связи через сетевой адаптер.

— сетевой адаптер дает возможность подключить компьютер в локальную сеть. При этом пользователь может получать доступ к данным, находящимся на других компьютерах.

з) с таймером

— таймер – внутренние электронные часы, которые подключены к автономному источнику питания (аккумулятору), продолжающие работать даже после отключения машины от питающей сети).

и) с клавиатурой

к) с математическим сопроцессором

— обычно универсальные микропроцессоры относительно медленно выполняют арифме-тические операции над числами с плавающей запятой. Это объясняется тем, что они работают с целыми числами, и при использовании чисел, представленных в другой форме, им требуются до-полнительные команды преобразования. Для ускорения выполнения арифметических операций часто используется отдельный процессор, называемый математическим сопроцессором. Он вы-полняет арифметические операции над числами с плавающей запятой самостоятельно, без допол-нительных программных средств. Благодаря этому скорость вычислительного процесса возрастает в несколько раз.