Основы устройства персонального компьютера

     Фон Нейман с соавторами не только выдвинули  основополагающие принципы логического  устройства ЭВМ, но и предложили её структуру, которая полностью воспроизводилась в течение первых двух поколений  ЭВМ. Схема устройства такой ЭВМ представлена на Рисунок 1.

     В соответствии с принципами фон Неймана  компьютер должен иметь в своем  составе следующие устройства:

• арифметико-логическое устройство (АЛУ) – предназначено для обработки закодированной информации и может выполнять арифметические и логические операции;
• устройство управления (УУ) – назначение данного устройства состоит в организации процесса выполнения программ;
• память или запоминающее устройство (ЗУ) – служат для хранения программ и данных. Память компьютера должна состоять из некоторого количества пронумерованных ячеек. В каждой из них могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легко доступны для других устройств компьютера;
• внешние устройства – устройство ввода и устройство вывода - выполняют задачи по вводу и выводу данных, т.е. обеспечивают прямую и обратную связь пользователя с компьютером.

     Обработка информации в таком компьютере предписывается алгоритмом и сводится к последовательному выполнению команд в порядке, однозначно определяемом программой. На Рисунок 1. сплошными линиями показано прохождение команд, а пунктирными – данных. 

     Рисунок 1 Схема ЭВМ 

     Следует отметить, что благодаря разработке и внедрению больших интегральных схем стало возможным объединение  устройства управления и АЛУ в  одно, называемое центральным процессором, который определяет действия, подлежащие выполнению, путем считывания команд из оперативной памяти.

     Но  несмотря на это, в основе работы современных  ЭВМ лежать принципы, сформулированные больше полувека тому назад. Однако прогресс в области разработки и создании элементной базы привел к совершенствованию архитектуры компьютеров. В настоящее время термин «архитектура ЭВМ» используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных логических узлов ЭВМ.

     Принцип открытой архитектуры

     Значительные  успехи в миниатюризации электронных схем создали предпосылки для заметного роста быстродействия процессора.

     Возникло  существенное противоречие между высокой  скоростью обработки информации внутри машины и медленной работой  устройств ввода-вывода, в большинстве своем содержащих механические движущиеся части.

     Если  бы процессор обеспечивал взаимодействие устройств компьютера, как описано  выше, то значительную часть времени  он был бы вынужден простаивать в  ожидании информации от внешних устройств, что существенно снижало бы эффективность работы всей ЭВМ в целом.

     Решением  этой проблемы было освобождение центрального процессора от функций обмена информацией и к передачи их специальным электронным схемам управления работы внешних устройств. Такие схемы получили названия контролер внешнего устройства. Наличие интеллектуальных контроллеров внешних устройств стало важной отличительной чертой машин третьего и в дальнейшем четвёртого поколений.

     Контролер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой  соответствующего внешнего устройства по специальным встроенным программам.

     Применение  контроллеров позволило использовать для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ принципиально новое устройство – общую шину (часто её называют магистралью).

     Шина  состоит из трёх частей: шина данных, по которой передается информация; шина адреса, определяющая, куда именно передаются данные; шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.

     Наличие магистрали позволяет изменить организацию  обмена информацией между ОЗУ и внешним устройством. С этой целью центральный процессор выдает контроллеру задание на осуществление этого обмена, а последний создает канал для этого.

     Дальнейшая  передача информации протекает под управлением контроллера без использования аппаратно-программных средств центрального процессора.

     Это создает возможность центральному процессору продолжать выполнение программы. Схема устройства компьютера в этом случае приобретает вид, представленный на Рисунок 2. 

     Рисунок 2 Схема ЭВМ с использованием магистрали 

     Компьютер, созданный по такой схеме, легко  пополнять новыми устройствами.

     Данное  свойство называют открытостью архитектуры. Для пользователя открытая архитектура означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств для своего компьютера, т.е. конфигурировать его в зависимости от круга решаемых задач.

     Принцип построения ЭВМ, в соответствии которым  обмен информацией между устройствами организуется с помощью магистрали, получил название магистрально-модульного или принципа открытой архитектуры.

     Этот  термин означает, что модульный принцип  позволяет потребителю самому комплектовать  нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости её модернизацию. При этом модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между модулями. 

     Аппаратная  реализация персонального  компьютера 

     Основные  устройства персонального  компьютера

     Основными особенностями современного компьютера являются объединение АЛУ и УУ в одном устройстве – процессоре, и разделение памяти на внутреннюю и внешнюю. Рассмотрим эти особенности.

     Процессор

     Процессор – устройство, предназначенное для обработки информации и управления этим процессом. Представление о составе организации процессора дает Рисунок 3. Его основу составляют регистры – быстродействующие устройства, предназначенные для хранения и обработки информации (команд и данных). 

     Рисунок 3 Схема устройства процессора 

     Процессор состоит из арифметико-логического  устройства (АЛУ), устройства управления (УУ) и нескольких ячеек внутренней памяти – регистров. В регистрах  хранятся команды, данные и адреса. АЛУ выполняет числовые логические операции с данными соответствии с кодом команды, хранящемся в регистре команд (сложение, сравнение, простые логические операции – И, ИЛИ, НЕ, операции сдвига, арифметического, логического или циклического сложения и т.п.). УУ с помощью набора управляющих сигналов организует согласованную работу всех блоков процессора и управляет как передачей адресов, команд и данных в процессоре по внутренней шине, так и взаимодействием процессора с внешними устройствами.

     Главными  характеристиками процессора являются его быстродействие – число выполняемых операций в единицу времени и разрядность – объем информации, которую процессор обрабатывает за одну операцию. Быстродействие современных процессоров превышает 1ГГц (109 Герц). Под разрядностью процессора принято понимать количество двоичных разрядов в его регистрах. Разрядность наиболее распространенных современных моделей составляет 32.

     Память

     Необходимость разделения памяти на внутреннюю и  внешнюю вызвано тем, что ЭВМ  не может непрерывно работать в течение неопределённо длительного периода времени. Действительно, в случае необходимости устранения неисправности или профилактического обслуживания питание компьютера необходимо отключить. Следовательно, возникает проблема сохранения программ и данных, находящихся в памяти компьютера.

     В современных компьютерах различают  два вида памяти:

     Внутренняя  память – электронная (полупроводниковая) память, которая размещается на системной плате или на платах расширения.

     Внешняя память – память, реализованная в виде устройств с различными принципами хранения информации и обычно с подвижными носителями. В настоящее время сюда входят устройства магнитной (дисковой ленточной) памяти, оптической и магнитооптической памяти. Устройства внешней памяти могут размещаться как в системном блоке компьютера, так и в отдельных корпусах.

     Основным  назначением внутренней памяти является совместное хранение данных и программ их обработки в процессе преобразования этих данных. Внешняя же память предназначена для длительного хранения информации, когда те или иные данные или программы не используются или же компьютер выключен.

     Внутренняя  память. Внутренняя память имеет в своем составе несколько устройств. Основным является оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Соответствующий по смыслу английский термин, который часто встречается в технической литературе, - RAM (Random Access Memory), т.е. память с произвольным (случайным) доступом. Такой доступ подразумевает возможность получить данные из памяти по любым адресам в любом порядке.

• ОЗУ имеет непосредственную связь с процессором. В нем хранятся программные команды и данные, участвующие в данное время в вычислениях. В него записываются результаты вычислений перед пересылкой их во внешнюю память устройства вывода. Основными особенностями ОЗУ являются:
• возможность считывать и записывать информацию из произвольного места памяти;
• высокая скорость работы, близкая к быстродействию микропроцессора;
• необходимость специальных мер по сохранению информации из ОЗУ после завершения работы (энергозависимость).

     Другим  важным устройством внутренней памяти компьютера является постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Техническое (английское) название этого устройства памяти – ROM (Read Only Memory), т.е. память только для чтения. Информация в это устройство записывается производителем, сохраняется неизменной и постоянно доступна компьютеру, в том числе сразу в момент включения. ПЗУ играет очень важную роль, потому что в нем записана программа начальной загрузки компьютера. Кроме того, в этой же самой микросхеме обычно хранятся минимальные программы работы с клавиатурой и другими устройствами, поэтому её часто называют BIOS – Basic Input Output System/

     В современных компьютерах быстродействие процессора ОЗУ может существенно  отличаться. Поэтому, для повышения производительности системы в качестве буфера между АЛУ и ОЗУ используется сверхоперативное ЗУ (СЗУ) или кэш-память. Название «кэш» происходит от английского слова «cache», которое обозначает тайник. СЗУ невидимо для пользователя и данные, хранящиеся в нём, недоступны для прикладного программного обеспечения.

     Основная  идея работы кэш-памяти заключается  в том, что извлеченные из ОЗУ  данные или команды программы  копируются в СЗУ; одновременно в  специальный каталог адресов, который  находится в той же самой памяти, запоминается, откуда информация была извлечена. Если данные потребуются повторно, то уже не надо будет терять время на обращение к ОЗУ их можно получить из кэш-памяти значительно быстрее.

     В настоящее время кэш-память обычно реализуется по двухуровневой системе. При этом первичный кэш (level 1- уровень 1) встроен непосредственно внутрь процессора, а вторичный (level 2) устанавливается на системной плате. Как и для ОЗУ, увеличение объёма КЭШа повышает эффективность работы компьютера.

     Внешняя память. Основное назначение внешней памяти компьютера заключается в длительном хранении информации (как программ, так и данных). Наличие внешней памяти обеспечивает возможность неоднократного использования информации в течение длительного времени. Информация во внешней памяти хранится в двоичном представлении, что позволяет отрабатывать её без каких бы то ни было дополнительных преобразований. Поскольку скорость записи и считывание информации в устройствах внешней памяти намного ниже быстродействия центральных устройств, поскольку для их подключения к магистрали необходим контроллер. Как правило, в составе компьютера имеются несколько устройств внешней памяти. Для персонального компьютера это главным образом гибкие и жесткие магнитные диски, а также оптические диски.