Реферат: Архитектура и основные характеристики персонального компьютера

Для подключения индикаторов, кнопок и динамика, расположенных на корпусе системного блока, на материнской плате имеются миниатюрные специальные разъемы-вилки. Подобные же разъемы служат как контакты для перемычек при задании аппаратной конфигурации системы. У большинства персональных компьютеров системные платы содержат лишь основные функциональные узлы, а остальные элементы расположены на отдельных печатных платах (платах расширения), которые устанавливаются в разъемы расширения. Например, устройство формирования изображения на экране монитора – видеоадаптер – чаще всего располагается на отдельной плате расширения – видеокарте. Основы информатики: Учеб. Пособие / В. А. Коднянко. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2004

Микропроцессор (МП, CPU, Central Processor Unit, ЦПУ или центральное процессорное устройство) – важнейший компонент любого персонального компьютера, его «мозг». Он управляет работой компьютера и выполняет большую часть обработки данных. Микропроцессор представляет собой сверхбольшую интегральную схему (СБИС), возможности которой определяются размером кристалла и количеством транзисторов. Иногда интегральные микросхемы называют чипами (chip).

Базовыми элементами микропроцессора являются транзисторные переключатели, на основе которых строятся регистры, представляющие собой совокупность устройств, имеющих два устойчивых состояния и предназначенных для хранения данных и быстрого доступа к ним. Количество и разрядность регистров определяют архитектуру микропроцессора. Основы информатики: Учеб. Пособие / В. А. Коднянко. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2004

Выполняемые микропроцессором команды предусматривают, как правило, арифметические действия, логические операции, передачу управления (условную и безусловную) и перемещение данных (между регистрами, оперативной памятью и портами ввода/вывода). С внешними устройствами микропроцессор сообщается благодаря своим шинам адреса, данных и управления, выведенным на специальные контакты корпуса микросхемы. Эталоном являются микропроцессоры фирмы Intel. Кроме этой фирмы производством микропроцессоров занимаются и другие производители. Выпускаемые ими микропроцессоры иногда называют клонами (AMD, Cyrix, IBM и др.).

У процессоров Intel Pentium (наиболее распространенные процессоры ПК) адресная шина 32-разрядная. Это означает, что она имеет 32 параллельные линии. Если на линиях есть напряжение, то на них выставляется единица, в противном случае – нуль, образуя, таким образом, 32-разрядный двоичный адрес, указывающий на определенную ячейку оперативной памяти. Процессор подключается к этой ячейке для копирования данных в свой регистр из области, где хранятся данные.

Обработку данных процессор ведет при помощи команд, поступающих на него из той области их оперативной памяти, где хранятся программы. Команды представлены байтами (8 разрядами) данных, хотя существуют команды, которые могут быть представлены большим числом байтов. Например, в процессоре Intel Pentium шина 32-разрядная (существуют также 64- и 128-разрядные шины).

Процессор обрабатывает данные, расположенные в регистрах оперативной памяти и своих внешних портах. Существует три вида таких данных – обычные данные, адреса и команды. Процессоры Intel Pentium насчитывают более тысячи команд и относятся к процессорам с расширенной системой команд (CISC-процессоры). Это означает, что команды представлены в нем длинными байтовыми записями, в отличие от ранних процессоров с сокращенной системой команд (RISC-процессоры), в которой команды требует меньше памяти для запоминания, а их число многократно меньше. По этой причине CISC-процессоры имеют много меньшую производительность, измеренную в тактах, в сравнении с RISC-процессорами. Однако такое сравнение применимо только к системным командам этих процессоров. Реально в процессе работы RISC-процессора на него могут поступать сложные команды, которые отсутствуют в его системе. В таких случаях их приходится эмулировать последовательностью простейших команд, что заметно снижает производительность RISC-процессоров. В настоящее время находят применения гибридные процессоры, сочетающие достоинства CISC- и RISC-процессоров.

Основными параметрами процессоров является напряжение, разрядность тактовая частота, размер кэш-памяти. Напряжение, подаваемое на процессор от материнской платы, измеряется несколькими вольтами. На ранних процессорах оно составляло 5 В. По мере развития процессоров оно снижалось, достигнув к настоящему времени величины меньше 3 В. Понижение напряжения позволило уменьшить размеры кристалла процессора, снизить тепловыделение и, как следствие, угрозу перегрева процессора, уменьшить энергопотребление кулера (вентиляторного устройства отвода тепла от процессора). Разрядность указывает на количество байт, которые процессор может обработать в своих регистрах за один такт. В ПК такты задает чипсет - микропроцессорный комплекс, расположенный на материнской плате. Производительность процессора определяется частотой поступающих на него тактов, называемой тактовой частотой. Чем выше тактовая частота, тем выше производительность процессора, т.е. количество выполняемых команд за единицу времени. В ранних процессорах она не превышала нескольких мегагерц. Тактовая частота современных процессоров составляет тысячи мегагерц (2400 МГц и выше). Обмен данными внутри процессора происходит намного быстрее, чем обмен с внешними устройства, например с оперативной памятью. Чтобы уменьшить время чтения данных, в процессоре размещена сверхоперативная кэш-память. При чтении необходимых данных процессор сначала обращается к ней и, только не найдя их там, обращается к оперативной памяти. При этом, получив порцию данных, процессор обрабатывает их и одновременно заносит их в кэш-память. Чем больше объем кэш-памяти, тем чаще процессор «находит» там нужные данные и, следовательно, тем выше производительность ПК в целом. Объем кэш-памяти современных ПК составляет несколько сотен мегабайт.

Базовая система ввода/вывода (BIOS) является составной частью аппаратных средств и программным модулем операционной системы одновременно. BIOS встроена в ПК и содержит программы управления клавиатурой, видеокартой, дисками, портами и другими устройствами до загрузки операционной системы. Она также содержит программу тестирования при включении питания компьютера и программу начального загрузчика. Большинство современных видеоадаптеров, а также многие SCSI-контроллеры имеют собственную BIOS, которая дополняет систему.

В современных ПК BIOS реализована в виде одной микросхемы ПЗУ, установленной на системной плате компьютера. Для ее хранения в материнских платах применяются электрически перепрограммируемые запоминающие устройства (ППЗУ). BIOS содержит CMOS RAM – энергонезависимую память, в которой хранится информация о текущей дате, показания таймера (часов), конфигурации компьютера (количестве оперативной памяти, типах накопителей и т.д.). В системе BIOS имеется программа Setup, которая может изменять содержимое CMOS-памяти, то есть задавать параметры конфигурации системы (обычно запускается нажатием клавиши Del в процессе загрузки). При загрузке и выполнения контроля оборудования BIOS полает на динамик компьютера звуки, по которым можно диагностировать его состояние. Если все в порядке, то подается длинный гудок; если неисправна видеокарта – один длинный и два коротких гудка; если неисправна память – повторяющиеся короткие гудки. Если неисправен процессор, то никаких гудков не будет, поскольку программа выполняется процессором.

Память. Все компьютеры используют три вида памяти – оперативную, постоянную и внешнюю.

Оперативная память (ОЗУ – оперативно запоминающее устройство) предназначена для хранения информации, к которой приходится часто обращаться, и обеспечивает режимы ее записи, считывания и хранения. По способу хранения информации оперативная память бывает статической и динамической.

Постоянная память (ПЗУ – постоянное запоминающее устройство) обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в ходе выполнения микропроцессором различных программ. Постоянная память имеет также название ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, что обеспечиваются только режимы считывания и хранения. Постоянная память энергонезависима, т. е. может сохранять информацию и при отключенном питании. Все микросхемы постоянной памяти по способу занесения в них информации делятся на масочные, программируемые изготовителем (ROM), однократно программируемые пользователем (Program-mable ROM) и многократно программируемые пользователем (Erasable PROM). Последние, в свою очередь, подразделяются на стираемые электрически и с помощью ультрафиолетового излучения. К элементам EPROM с электрическим стиранием информации относятся, например, микросхемы флеш-памяти. От обычных EPROM они отличаются высокой скоростью доступа и быстрым стиранием записанной информации. Данный тип памяти сегодня широко используется для хранения BIOS и другой постоянной информации.

Оперативная память выполнена обычно на микросхемах динамического типа с произвольной выборкой (DRAM). Каждый бит такой памяти представляется наличием (или отсутствием) заряда на конденсаторе, образованном в структуре полупроводникового кристалла. Другой тип памяти – статический (SRAM) – в качестве элементарной ячейки использует так называемый статический триггер (схема которого состоит из нескольких транзисторов). Статический тип памяти обладает более высоким быстродействием и используется, например, для организации кэш-памяти.

Для описания характеристик быстродействия оперативной памяти применяются так называемые циклы чтения/записи. Так, для SRAM чтение одного слова выполняется за 3 такта, запись за 4 такта.

Динамическая память (DRAM) в современных ПК используется обычно в качестве оперативной памяти общего назначения, а так же как память для видеоадаптера.

Микросхемы видеопамяти, используемые в видеоадаптерах, относятся к динамической оперативной памяти, работа которой имеет ряд особенностей, состоящих в том, что доступ к ней осуществляется достаточно крупными блоками, а перезапись производится без прерывания процедуры считывания из памяти. Эту задачу наиболее эффективно решает так называемая двухпортовая RAM, для которой возможно одновременное считывание и запись данных. Такая память представлена VRAM (Video RAM) и WRAM (Window RAM). Для ускорения доступа к памяти со стороны графического ускорителя (что особенно важно в 3D-акселераторах) используется либо MDRAM, использующая распараллеливание операций доступа данным между большим количеством банков памяти. Либо синхронная память SGRAM.

Кэш-память. Кэшированием данных называется размещение наиболее важных и часто используемых данных в области памяти с более быстрым доступом. Применение кэширования существенно повышает быстродействие ПК при чтении данных (в 10-1000 раз). Помимо кэширования операций чтения данных можно выполнять кэширование записи данных. Применение кэш-записи еще более увеличивает скорость работы ПК, но повышает риск потери данных в случае внезапного выхода системы из строя (например, при отключении электропитания).

Связь устройств с материнской платой осуществляется ее шинными интерфейсами. Пропускная способность первой шины, выполненной два десятка лет назад в архитектуре ISA, составляла около 5,5 Мбит/с. Расширением этого стандарта стал EISA (расширенный ISA) производительностью до 32 Мбит/с. С 2000 г. выпуск материнских плат для разъемов ISA и EISA прекращен из-за низкой производительности этих шин.

С выходом процессора Intel 80386 и 80486 для обмена данных между оперативной памятью и процессором внедрен новый стандарт VLB, позволяющий увеличить производительность шины до 130 Мбит/с.

С появлением процессора Intel Pentium внедрена шина стандарта PCI производительностью до 264 Мбит/с для 32-разрядных данных и 528 Мбит/с для 64-разрядных данных. Шина имеет разъемы для подключения внешних устройств и PCI-мосты в виде чипсета для связи с основной шиной ISA/EISA. Внедрение шины PSI позволило впервые реализовать режим Plug And Play, состоящий в способности операционной системы автоматически реагировать на появление нового устройства и производить его установку на компьютере при помощи автоматических программных средств.

Позднее, с выходом процессора Intel Pentium Pro, получит использование шина FSB производительностью до 800 Мб/с, а для обеспечения высокой производительности видеокарт – шина AGP с пропускной способностью до 1066 Мб/с.

Наиболее совершенной считается шина USB, предназначенная для связи материнской платы с периферийными устройствами. Ее достоинствами являются: возможность подключения практически неограниченного количества таких устройств (до 256); отсутствие конфликтов оборудования; возможность подключения новых устройств во время работы компьютера и объединения нескольких компьютеров в сеть без установки специального сетевого программного обеспечения.

Внешняя память реализована обычно на магнитных или оптических накопителях (носителях данных).

Накопители данных. Для хранения программ и данных в персональных компьютерах используют различного рода накопители, общая емкость которых, как правило, в сотни раз превосходит емкость оперативной памяти. По отношению к компьютеру накопители могут быть внешними и внутренними (встроенными). Внешние накопители имеют собственный корпус и источник питания, что экономит пространство внутри корпуса компьютера и уменьшает нагрузку на его блок питания. Внутренние накопители крепятся в специальных монтажных отсеках, что позволяет создавать компактные системы, которые совмещают в системном блоке все необходимые устройства. Сам накопитель можно рассматривать как совокупность носителя и привода. Различают накопители со сменными и несменными носителями. Используемые в настоящее время накопители имеют различные интерфейсы, среди которых преобладают EIDE (ATAPI) и SCSI. Встречаются решения на основе USB, PCMCIA, FireWire и других интерфейсов. Основы информатики: Учеб. Пособие / В. А. Коднянко. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2004

Жесткие диски (HDD). В 1973 г. фирмой IBM по новой технологии был разработан жесткий магнитный диск, который мог хранить до 16 Кб данных. Поскольку этот диск имел 30 цилиндров (дорожек), каждый из которых был разбит на 30 секторов, то ему присвоили название 30/30. По аналогии с автоматическими винтовками, имеющими калибр 30/30, такие жесткие диски стали называться винчестерами. Головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками первоначально были заключены в герметически закрытый корпус. В современных винчестерах пакет дисков крепится на дисководе, система негерметична. Толщина воздушной подушки, создаваемой аэродинамикой вращающегося диска и формой головки, гораздо тоньше человеческого волоса.

Важнейшими характеристиками винчестеров являются емкость, производительность и среднее время доступа.

Современные жесткие диски имеют значительную ёмкость и могут хранить до 160 Гб данных. Их собственная производительность также весьма высока – 60 Мб/с и выше, поэтому конечная производительность при передаче данных через интерфейс, связанный с материнской платой, определяется также пропускной способностью этого интерфейса. В зависимости от его типа диапазон значений может быть значительным: от нескольких мегабайт в секунду для интерфейсов EIDE до сотни и более мегабайт в секунду для SCSI. Среднее время доступа (СВД) определяется интервалом времени, который необходим для поиска нужных данных. Оно, в свою очередь, зависит от скорости вращения диска. Для дисков, вращающихся со скоростью до 7200 об/мин, СВД составляет 5-10 мкс.

Дискеты (флоппи-диски) используются как самое дешевое средство резервного копирования (объемом информации не более 10 Мб), а также для переноса данных с одного ПК на другие, в том числе с портативных на стационарные ПК. Дискеты каждого типоразмера (5,25 и 3,5 дюйма) бывают обычно двусторонними. Плотность записи может быть одинарной (Single Density), двойной (Double Density) и высокий (High Density). В настоящее время используются только дискеты типоразмера 3,5 дюйма. Их емкость составляет 1,44 или 2,88 Мб. Магнитный диск помещен в прочный пластмассовый корпус. Зона контактов магнитных головок с поверхностью диска закрыта специальной шторкой (задвижкой), отодвигаемой только внутри накопителя. Скорость чтения/записи для 3,5-дюймового дисковода составляет около 63 Кб/с, среднее время поиска – порядка 80 Мс. На диске располагается 80 дорожек. На дискетах предусмотрена возможность защиты от записи. Основы информатики: Учеб. Пособие / В. А. Коднянко. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2004