Архитектура персонального компьютера

    Разрядность PCI — 32 бита с возможностью расширения до 64 бит, теоретическая пропускная способность 132 Мбайта/с (реальная вдвое ниже). Шина PCI хотя и является локальной, выполняет и многие функции шины расширения, в частности, шины расширения ISA, EISA, MCA (а она совместима с ними) при наличии шины PCI подключаются не посредственно к МП (как это имеет место при использовании шины VLB), а к самой шине PCI (через интерфейс расширения).

    Следует иметь в виду, что использование  в ПК шин VLB и PCI возможно только при  наличии соответствующей VLB — или PCI-материнской платы. Выпускаются материнские платы с мультишинной структурой, позволяющей использовать ISA/EISA, VLB и PCI, так называемые материнские платы с шиной VIP (по начальным буквам VLB, ISA и PCI).

    Но  в настоящее время платы с  шинами VLB не производится и отмирает шина ISA, появились новые шины, такие как AGP, предназначенные для видеоадаптеров с высокой пропускной способностью или так называемые 3D ускорители.

Функциональные  устройства ПК

    Основными характеристиками ПК являются:

1. Быстродействие.
2. Производительность.
3. Тактовая частота.

Единицами измерения быстродействия служат:

• МИПС (MIPC — Vega Instruction Per Second) — миллион операций над числами с фиксированной запятой (точкой);
• МФЛОПС (MFLOPS — Mega Floating Operations Second) — миллион операций над числами с плавающей запятой (точкой);
• КОПС (KOPS — Kilo Operations Per Second) для низко производительных ЭВМ — тысяча неких усредненных операций над числами;
• ГФЛОПС (GFLOPS — Giga Floating Operations Per Second) — миллиард операций в секунду над числами с плавающей запятой (точкой).

    Оценка  производительности ЭВМ всегда приблизительная, ибо при этом ориентируются на некоторые усредненные или, наоборот, на конкретные виды операций. Реально  при решении различных задач  используются и различные наборы операций. Поэтому для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины. И так как каждая операция требует для своего выполнения вполне определенного количество тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции.

1. Разрядность машины и кодовых шин интерфейса. Разрядность — это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК.
2. Типы системного и локальных интерфейсов. Разные типы интерфейсов обеспечивают разные сроки передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды.
3. Емкость оперативной памяти. Емкость оперативной памяти измеряется чаще всего в мегабайтах (Мбайт). Напоминаем: 1 Мбайт = 1024 Кбайта = 1024 байт. Многие современные прикладные программы при оперативной памяти емкостью меньше 32 Мбайт просто не работают, либо работают, но очень медленно. Следует иметь в виду, что увеличение емкости основной памяти в два раза, помимо всего прочего, дает повышение эффективной производительности ЭВМ при решении сложных задач примерно в 1,7 раза.
4. Емкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестер). Емкость винчестера измеряется обычно в мегабайтах или гигабайтах (1 Гбайт = 1024 Мбайта).
5. Тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках и лазерных компакт дисков. Сейчас применяются накопители на гибких магнитных дисках, использующие дискеты размером 3,5 и 5,25 дюйма (практически уже не применяются) (1 дюйм = 25,4 мм). Первые имеют стандартную емкость 1,44 Мбайта, вторые 1,2 Мбайта. Также применяются накопители на компакт дисках в связи с их низкой стоимостью и большой емкостью, размером 650 и 700 Мb, применяются лазерные перезаписываемые диски CD-RW емкостью 650 – 700 Mb. Применяются и такой тип накопителя как DVD. Высокие технологии и высокая стоимость, но и большая емкость до 24 Gb.
6. Виды и емкость КЭШ-памяти. КЭШ-память — это буферная, недоступная для пользователей быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Например, для ускорения операций с основной памятью организуется регистровая КЭШ-память внутри микропроцессора (КЭШ-память первого уровня) или вне микропроцессора на материнской плате (КЭШ-память второго уровня); для ускорения операций с дисковой памятью организуется КЭШ-память на ячейка электронной памяти. Следует иметь в виду, что наличие КЭШ-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность ПК примерно на 20 %. Встречается емкость КЭШ-памяти и 512 Кбайт
7. Тип видеомонитора (дисплея) и видеоадаптера.
8. Тип принтера.
9. Наличие математического сопроцессора. Математический сопроцессор позволяет в десятки раз ускорить выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами.
10. Имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы.
11. Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ. Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ означает возможность использования на компьютере соответственно тех же технических элементов и программного обеспечения, что и на других типах машин.
12. Возможность работы в вычислительной сети
13. Возможность работы в многозадачном режиме. Многозадачный режим позволяет выполнять вычисления одновременно по нескольким программам (многопрограммный режим) или для нескольких пользователей (многопользовательский режим). Совмещение во времени работы нескольких устройств машины, возможное в таком режиме, позволяет значительно увеличить эффективное быстродействие ЭВМ.
14. Надежность. Надежность — это способность системы выполнять полностью и правильно все заданные ей функции. Надежность ПК измеряется обычно средним временем наработки на отказ
15. Стоимость.
16. Габариты и масса.

Микропроцессоры

    Микропроцессор, иначе, центральный процессор. Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера. Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

• арифметико-логическое устройство;
• шины данных и шины адресов;
• регистры;
• счетчики команд;
• кэш — очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);
• математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

    Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния  прямоугольной формы площадью всего  несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или плоский керамический корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера. В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называются многопроцессорными.

    Первый  микропроцессор был выпущен в 1971 г. фирмой Intel (США) — МП 4004. В настоящее  время выпускается несколько сотен различных микропроцессоров, но наиболее популярными и распространенными являются микропроцессоры фирмы Intel и AMD.

Структура микропроцессора

    Устройство  управления является функционально  наиболее сложным устройством ПК. Оно вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам  инструкций во все блоки машины. Сюда включаются:

• Регистр команд — запоминающий регистр, в котором хранится код команды: код выполняемой операции и адреса операндов, участвующих в операции. Регистр команд расположен в интерфейсной части МП, в блоке регистров команд.
• Дешифратор операций — логический блок, выбирающий в соответствии с поступающим из регистра команд кодом операции (КОП) один из множества имеющихся у него выходов.
• Постоянное запоминающее устройство микропрограмм — хранит в своих ячейках управляющие сигналы (импульсы), необходимые для выполнения в блоках ПК операций обработки информации. Импульс по выбранному дешифратором операции (в соответствии с кодом операции) считывает из ПЗУ микропрограмм необходимую последовательность управляющих сигналов.
• Узел формирования адреса (находится в интерфейсной части МП) — устройство, вычисляющее полный адрес ячейки памяти (регистра) по реквизитам, поступающим из регистра команд и регистров МПП.
• Кодовые шины данных, адреса и инструкций — часть внутренней шины микропроцессора. В общем случае УУ формирует управляющие сигналы для выполнения следующих основных процедур:

• выборки из регистра-счетчика адреса команды МПП адреса ячейки ОЗУ, где хранится очередная команда программы;

• выборки ИЗ ячеек ОЗУ кода очередной команды и приема считанной команды в регистр команд;
• расшифровки кода операции и признаков выбранной команды;
• считывания из соответствующих расшифрованному коду операции ячеек ПЗУ микропрограмм управляющих сигналов (импульсов), определяющих во всех блоках машины процедуры выполнения заданной операции, и пересылки управляющих сигналов в эти блоки;
• считывания из регистра команд и регистров МПП отдельных составляющих адресов операндов (чисел), участвующих в вычислениях, и формирования полных адресов операндов;
• выборки операндов (по сформированным адресам) и выполнения заданной операции обработки этих операндов;
• записи результатов операции в память;
• формирования адреса следующей команды программы.

    Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Функционально  АЛУ состоит обычно из двух регистров, сумматора и схем управления (местного устройства управления).

    Сумматор  — вычислительная схема, выполняющая  процедуру сложения поступающих  на ее вход двоичных кодов; сумматор имеет  разрядность двойного машинного  слова.

    Регистры  — быстродействующие ячейки памяти различной длины: регистр 1 (Pr1) имеет разрядность двойного слова, а регистр 2 (Pr2) — разрядность слова. При выполнении операции в Pr1 помещается первое число, участвующее в операции, а по завершении операции — результат; в Pr2 — второе число, участвующее в операции (по завершении операции информация в нем не изменяется). Регистр 1 может принимать информацию с кодовых шин данных, и выдавать информацию с этих шин.

    Схемы управления принимают по кодовым  шинам инструкций управляющие сигналы от устройства управления и преобразуют их в сигналы для управления работой регистров и сумматора АЛУ. АЛУ выполняет арифметические операции (+, -, *, :) только над двоичной информацией с запятой, фиксированной после последнего разряда, т. е. только над целыми двоичными числами.

    Выполнение  операций над двоичными числами  с плавающей запятой и над  двоично-кодированными десятичными  числами осуществляется или с  привлечением математического сопроцессора, или по специально составленным программам.

    Микропроцессорная память — память небольшой емкости, но чрезвычайно высокого быстродействия (время обращения к МПП, т. е. время, необходимое на поиск, запись или считывание информации из этой памяти, измеряется наносекундами). Она предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно в ближайшие такты работы машины участвующей в вычислениях; МПП используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Микропроцессорная память состоит из быстродействующих регистров с разрядностью не меньше машинного слова. Количество и разрядность регистров в разных микропроцессорах различны.

    Регистры  микропроцессора делятся на регистры общего назначения и специальные. Специальные  регистры применяются для хранения различных адресов (адреса команды, например), признаков результатов  выполнения операций и режимов работы ПК (регистр флагов, например) и др. Регистры общего назначения являются универсальными и могут использоваться для хранения любой информации, но некоторые из них тоже должны быть обязательно задействованы при выполнении ряда процедур.

    Интерфейсная  часть МП предназначена для связи  и согласования МП системной шиной ПК, а также для приема, предварительного анализа команд выполняемой программы и формирования полных адресов операндов и команд.

    Интерфейсная  часть включает в свой состав адресные регистры МПП, узел формирования адреса, блок регистров команд, являющийся буфером команд в МП, внутреннюю интерфейсную шину МП и схемы управления шиной и портами ввода – вывода.

    Порты ввода – вывода — это пункты системного интерфейса ПК, через которые  МП обменивается информацией с другими  устройствами. Всего портов у МП может быть 65536. Каждый порт имеет адрес — номер порта, соответствующий адресу ячейки памяти, являющейся частью устройства ввода-вывода, использующего этот порт, а не частью основной памяти компьютера. Порт устройства содержит аппаратуру сопряжения и два регистра памяти — для обмена данными и обмена управляющей информацией. Некоторые внешние устройства используют и основную память для хранения больших объемов информации, подлежащей обмену. Многие стандартные устройства (НЖМД, НГМД, клавиатура, принтер, сопроцессор и др.) имеют постоянно закрепленные за ними порты ввода – вывода.

    Схема управления шиной и портами выполняет  следующие функции:

• формирование адреса порта и управляющей информации для него (переключение порта на прием или передачу и др.);
• прием управляющей информации от порта, информации о готовности порта и его состоянии;
• организацию сквозного канала в системном интерфейсе для данных между портом устройства ввода – вывода и МП.

    Схема управления шиной и портами использует для связи с портами кодовые шины инструкций, адреса и данные системной шины: при доступе к порту МП посылает сигнал по КШИ, который оповещает все устройства ввода-вывода, что адрес на КША является адресом порта, а затем посылает и сам адрес порта. То устройство, адрес порта которого совпадает, дает ответ о готовности, после чего по КШД осуществляется обмен данными.

Последовательность  работы блоков ПК

    Программа хранится во внешней памяти ПК. При  запуске программы в работу пользователь выдает запрос на ее исполнение в дисковую операционную систему (DOS — Disc Operation System) компьютера. Запрос пользователя — это ввод имени исполняемой программы в командную строку на экране дисплея. Главная программа DOS-Command.com обеспечивает перезапись машинной (исполняемой) программы из внешней памяти в ОЗУ, в которой находится начало (первая команда) этой программы.

    После этого автоматически начинается выполнение команд программы друг за другом. Каждая программа требует  для своего исполнения нескольких тактов работы машины (такты определяются периодом следования импульсов от генератора тактовых импульсов). В первом такте выполнения любой команды производятся считывание кода самой команды из ОЗУ по адресу, установленному в регистре-счетчике адреса, и запись этого кода в блок регистров команд устройства управления. Содержание второго и последующих тактов исполнения определяется результатами анализа команды, записанной в блок регистров команд, т. е. зависит уже от конкретной команды.

    Пример. При выполнении ранее рассмотренной  машинной команды: СЛ  0103   5102.

    будут выполнены следующие действия:

• второй такт: считывание из ячейки 0103 ОЗУ первого слагаемого и перемещение его в АЛУ;
• третий такт: считывание из ячейки 5102 ОЗУ второго слагаемого и перемещение его в АЛУ;
• четвертый такт: сложение в АЛУ переданных туда чисел и формирование суммы;
• пятый такт: считывание из АЛУ суммы чисел и запись ее в ячейку 0103.