Билет 8. Общая структура и состав персонального компьютера
Персональные компьютеры в настоящее время – это достаточно мощные вычислительные машины, которые в основном имеют классическую архитектуру.
Структура компьютера можно представить графически в виде схемы. В структуре компьютера выделяют три основные части: центральная часть (микропроцессор и основная память), системная шина и периферийные устройства.
Открытая архитектура позволяет подключать совместимые между собой устройства от различных производителей.
Архитектура с общей шиной обеспечивает простоту и дешевизну, а также использование общих алгоритмов взаимодействия между устройствами.
Центральная часть и системная шина
Процессор выполнен в виде полупроводникового кристалла или комплекта кристаллов, на которых реализован центральный процессор.
АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными, взаимодействуя с остальными элементами процессора. Данные, над которыми выполняются операции, поступают из регистров в сумматор, затем результат отправляется в регистры.
Регистры – это ячейки памяти, обладающие большим быстродействием. В принципе, достаточно двух регистров: первый принимает число и хранит результат операции, а второй только принимает число, которое после выполнения операции не меняется.
Сумматор (аккумулятор) используется для временного накапливания и хранения данных, полученных в результате выполнения операций АЛУ.
Устройство управления управляет вычислительным процессом по программе и координирует работу всех устройств. УУ формирует управляющие сигналы и затем их выполняет.
Регистры общего назначения служат для промежуточного хранения информации в процессе ее обработки. На физическом уровне регистр представляет совокупность триггеров [1], которые связаны между собой общей системой управления, при этом каждый триггер способен хранить один двоичный разряд.
Кэш – память служит для повышения быстродействия процессора за счет запоминания на некоторое время полученных ранее данных, которое будет использоваться процессором в ближайшее время. Она увеличивает производительность, поскольку хранит наиболее часто используемые команды. Конструктивно кэш – память может располагаться внутри процессора –кэш –память первого уровня, и вне процессора – кэш –память второго уровня.
Параметры микропроцессора:
Работа МП синхронизируется импульсами тактовой частоты от задающего генератора. Чем выше тактовая частота, тем выше быстродействие процессора. Измеряется тактовая частота в МГц и Ггц.
По конструктивному признаку все процессоры делятся на разрядно – модульные (собираются из нескольких микросхем) и однокристальные (изготавливаются в виде одной микросхемы)
В зависимости от используемой системы команд различают процессоры типа:
- CISC (Сomplex Instruction Set Command) с полным набором системы команд;
- RISC (Redused Instruction Set Command) с усеченным набором команд.
МП первого типа являются традиционными, а их система включает большое количество команд для выполнения арифметических и логических операций, команд управления, команд пересылки и ввода-вывода данных. МП этого типа используются в большинстве современных ПК типа IBM и выпускаются такими фирмами, как Intel, AMD, IBM.
МП должен оперативно реагировать на различные события, происходящие в компьютере в результате действий пользователя и без его вмешательства, т.е. автоматически. Например, нажатие на клавишу или нарушение в работе оборудования и т.д. Необходимую реакцию на события обеспечивает система прерываний.
Обработка прерываний сводится к приостановке выполнения текущей программы и выполнения служебной программы, которая соответствует определенному типу прерывания. После реализации обработчиком прерываний служебной программы выполнение отложенной программы может быть продолжено. Различают программные и аппаратные прерывания. Под системой прерываний понимают комплекс аппаратных и программных средств, обеспечивающих выявление и обработку прерываний.
ОЗУ служит для приема, выдачи и кратковременного хранения переменной (текущей) информации в ходе выполнения процессором вычислительных операций. ОЗУ составляет большую часть основной памяти и является энергозависимым, поэтому при включении питания информация, хранившаяся в ОЗУ, безвозвратно теряется.
В качестве элементов памяти в ОЗУ используются либо триггеры, либо конденсаторы. В зависимости от способа хранения информации ОЗУ делятся на статистические и динамические. В статистическом ОЗУ каждый бит информации (1 или 0) хранится на элементе типа электронной защелки (триггер), состояние которого остается неизменным до тех пор, пока не будет сделана новая запись в этот элемент или не будет выключено питание.
Динамическое ОЗУ каждый бит информации хранит в виде заряда конденсатора. Из-за токов утечки заряд конденсатора необходимо с определенной периодичностью обновлять (регенерировать). Во время регенерации запись новой информации должна быть запрещена. Динамические ОЗУ по сравнению со статическими имеют более высокую удельную емкость, большее быстродействие и энергопотребление.(слайд 18)
ПЗУ используется для хранения информации, которая не меняется при работе компьютера: загрузочная программа операционной системы, программа тестирования устройств компьютера и некоторые драйверы базовой системы ввода-вывода (BIOS – Basic Input Output System). Информация, хранящаяся в ПЗУ, предназначена, как правило, только для считывания. Запись информации в ПЗУ обычно выполняется в лабораторных условиях. Однако в программируемые и перепрограммируемые ПЗУ можно записывать информацию непосредственно в ПК с помощью программатора. Программатор – это специальное электронное устройство, которое подключается к компьютеру и позволяет с помощью команд записывать информацию в ПЗУ.
Связующим элементом между различными устройствами компьютера является система шина (СШ).
Системная шина предназначена для передачи данных между периферийными устройствами (ПУ) и центральным процессором или между периферийными устройствами и оперативной памятью.
Сама системная шина представляет собой совокупность одно- и двунаправленных линий, логически объединяемых в следующие группы:
- шину данных, служащую для передачи информации в оба направления (от МП к ОЗУ или ПУ и обратно, либо между ОЗУ и ПУ);
- шину адреса, с использованием которой адресуются ОП и порты ввода-вывода;
- шину управления, предназначенную для передачи управляющих сигналов, таких как «запись в память», «чтение из памяти», сигналы прерываний.
Следовательно, системная шина обеспечивает три типа передачи данных и управляющих сигналов между:
1) Микропроцессор – основная память (МП-ОП);
2) Микропроцессор – порты ввода-вывода (МП-ПВВ);
3) Основная память – порты ввода-вывода (ОП и ПВВ).
Классические принципы построения и функционирования ЭВМ известны как принципы Джона фон Неймана. Согласно им, во-первых, для представления данных должна быть использована двоичная система счисления. Во-вторых, программа также должна храниться в виде последовательности нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и данные, которые ею обрабатываются. Третий принцип – последовательное выполнение команд программы, а так же адресация ячеек памяти, для того, чтобы возможен был непосредственный переход к любой из них (адрес – номер ячейки памяти, по которому осуществляется доступ к ней). И последний принцип заключается в равноправии ячеек памяти, хранящих как команды программы, так и данные, поэтому над любыми ячейками памяти ЭВМ можно производить одинаковые действия.
Структуру ЭВМ Джон фон Нейман представлял четырьмя основными блоками:
· АЛУ – устройство, выполняющее арифметические и логические операции;
· УУ – устройство управления для организации выполнения программ;
· ЗУ – память для хранения программ и данных;
· ВУ – внешние устройства для ввода/вывода информации.
УУ управляет
процессом обработки информации и содержит:
· генератор тактов;
· информацию о состоянии процесса;
· оборудование для выработки управляющих сигналов для выполнения отдельных команд;
· усилители мощности.
[1] Триггер – электронная схема, применяемая в регистрах для запоминания одного бита информации и имеющая два устойчивых состояния 0 и 1