Архитектура персонального компьютера

Микропроцессор - это центральный блок персонального компьютера, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

Системная шина является основной интерфейсной системой компьютера, обеспечивающей сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

• между микропроцессором и основной памятью;
• между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
• между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств.

Порты ввода-вывода всех устройств через соответствующие разъемы (слоты) подключаются к шине либо непосредственно, либо через специальные контроллеры (адаптеры).

Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками компьютера.

Внешняя память используется для долговременного хранения информации, которая может быть в дальнейшем использована для решения задач. Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических символов, частота которых задает тактовую частоту компьютера. Промежуток времени между соседними импульсами определяет такт работы машины.

Источник питания - это блок, содержащий системы автономного и сетевого питания компьютера.

Таймер - это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие автоматический съем текущего момента времени. Таймер подключается к автономному источнику питания и при отключении компьютера от сети продолжает работать.

Внешние устройства компьютера обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими компьютерами.

Рис. 3 Архитектура  персонального компьютера

 

Важнейшей частью материнской  платы является чипсет, который во многом определяет архитектуру современного персонального компьютера.

Современные компьютеры содержат две основные большие микросхемы чипсета (рис. 3):

• контроллер-концентратор памяти, или Северный мост (англ. North Bridge), который обеспечивает работу процессора с оперативной памятью и с видеоподсистемой;
• контроллер-концентратор ввода/вывода, или Южный мост (англ. South Bridge), обеспечивающий работу с внешними устройствами.

Между Северным мостом и процессором данные передаются по системной шине (FSB от англ. FrontSide Bus). В процессоре используется внутреннее умножение частоты, поэтому частота процессора в несколько раз больше, чем частота системной шины.

Обмен данными между  северным мостом и оперативной памятью производится по шине памяти, частота которой может быть больше (например, в 4 раза), чем частота системной шины. У современных модулей памяти DDR3 частота шины памяти может составлять 400 МГц * 4 = 1600 МГц, т. е. оперативная память получает данные с такой же частотой, что и процессор.

По мере усложнения графики  приложений требования к быстродействию шины, связывающей видеопамять с  процессором и оперативной памятью, возрастают. В настоящее время для подключения видеоплаты к северному мосту все большее распространение получает шина PCI Express. К видеоплате с помощью аналогового разъема VGA или цифрового разъема DVI подключается электронно-лучевой или жидкокристаллический монитор или проектор.

Устройства внешней  памяти (жесткие диски, CD- и DVD-дисководы) подключаются к южному мосту по шине SATA, скорость передачи данных по которой может достигать 300 Мбайт/с.

Для подключения принтеров, сканеров, цифровых камер и других периферийных устройств обычно используется шина USB. Эта шина обладает пропускной способностью до 60 Мбайт/с и обеспечивает подключение к компьютеру одновременно до 127 периферийных устройств (принтер, сканер, цифровая камера, Web-камера, модем и др.).

1.4. Особенности современных ЭВМ

Естественно, что  бурное развитие новых технологий производства средств вычислительной техники привело к появлению целого ряда новшеств и особенностей. Эти отличительные особенности вычислительных машин, появившихся после EDVAC, сводятся к следующим:

• Индексные регистры. Позволяют формировать адреса памяти добавлением содержимого указанного регистра к содержимому поля команды. Этот принцип впервые реализован в 1949г. в ЭВМ Манчестерского университета и использован в 1953г. фирмой Electro Data Corporation при производстве ЭВМ Datatron.
• Регистры общего назначения. Благодаря этой группе регистров устраняется различие между индексными регистрами и аккумуляторами и в распоряжении пользователя оказывается не один, а несколько регистров-аккумуляторов. Впервые это решение было применено, вероятно, в ЭВМ Pegasus фирмы Ferranti (1956г.).
• Представление данных в форме с плавающей точкой. Представление данных в виде мантиссы и порядка и выполнение операций над ними было реализовано в 1954г. в вычислительных машинах NORC и 704 фирмы IBM.
• Косвенная адресация. Средство позволяющее использовать команды, указывающие адреса, по которым в свою очередь находится информация о местоположении операндов команд. Принцип косвенной адресации был реализован в 1958г. в ЭВМ 709 фирмы IBM.
• Программные прерывания. При возникновении некоторого внешнего события состояние вычислительной системы, связанное с выполнением прерванной команды, запоминается в определенной области. Этот принцип впервые был применен в 1954г. в машине Univac1103.
• Асинхронный ввод-вывод. Параллельно обычному выполнению команд независимые процессоры управляют операциями ввода-вывода. Первой ЭВМ с независимым процессором ввода-вывода являлась ЭВМ709 фирмы IBM (1958г.).
• Виртуальная память. Определение адресного пространства программы осуществляется без "привязки" к физическим областям памяти обычно с целью создания впечатления, что вычислительная система имеет больший объем основной памяти, чем тот, которым она фактически располагает. В 1959г. в вычислительной системе Atlas Манчестерского университета были реализованы принципы разделения памяти на страницы и динамическая трансляция адресов аппаратными средствами.
• Мультипроцессорная обработка. Два или более независимых процессора обрабатывают потоки команд из общей памяти. Не ясно, кто был первооткрывателем такого способа обработки, однако, в конце 50-х начале 60-х годов, он был реализован в вычислительных машинах Sage фирмы IBM, Sperri-Univac LARC и D825 фирмы Burroughs.

Существенное  противоречие между высокой скоростью  обработки данных в процессоре и  низкой скоростью работы устройств ввода/вывода потребовало высвобождения ЦПУ от функций передачи информации и предоставления этих функций специальным устройствам – контроллерам и интерфейсам.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование архитектуры персонального компьютера позволяет сделать следующие выводы.

Архитектура любой вычислительной системы, в том числе персонального компьютера, предполагает многоуровневую, иерархическую организацию.

Взаимодействие между  различными уровнями осуществляется посредством  интерфейсов. Например, система в целом взаимодействует с внешним миром через набор интерфейсов: языки высокого уровня, системные программы и т.д.

Решение задач на ЭВМ  реализуется программным способом, т.е. путем выполнения последовательно во времени отдельных операций над информацией, предусмотренных алгоритмом решения задачи.

Классическая структура персонального компьютера отвечает модели Фон Неймана. Современные ПК далеко ушли от этой модели, но по-прежнему имеют большое число общих черт, например – двоичная система счисления, управление потоком команд.

Важным направлением развития вычислительных средств пятого и последующих поколений является интеллектуализация ЭВМ, связанная  с наделением ее элементами интеллекта, интеллектуализацией интерфейса с  пользователем и др. Работа в данном направлении, затрагивая, в первую очередь, программное обеспечение, потребует и создания ЭВМ определенной архитектуры, используемых в системах управления базами знаний - компьютеров баз знаний, а так же других подклассов ЭВМ. При этом ЭВМ должна обладать способностью к обучению, производить ассоциативную обработку информации и вести интеллектуальный диалог при решении конкретных задач.

Ряд этих вопросов реализован в перспективных ЭВМ пятого поколения либо находится в стадии технической проработки, другие - в стадии теоретических исследований и поисков.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Баула В.Г. Введение в архитектуру ЭВМ и системы программирования. / М.:Изд-во МГУ им. М.В. Ломоносова, 2012.
2. Гуров В.В., Ленский О.Д., Соловьев Г.Н., Чуканов В.О. Архитектура, структура и организация вычислительного процесса в ЭВМ типа IBM PC М.: МИФИ, 2005. Под ред. Г.Н. Соловьева.
3. Иванова Е.М., Жарков С.В. Организация ЭВМ и вычислительных систем, МГИЭМ, Учебное пособие, М. 2002;
4. Мартиросян С.Т. Организация ЭВМ и вычислительных систем, МГИЭМ, Учебное пособие, М. 2003;
5. Мартиросян С.Т. Организация ЭВМ, комплексов и сетей, МГИЭМ, Учебное пособие, М. 2002;
6. Мюллер С. Модернизация и ремонт ПК; 17-е изд. - М.: Вильямс, 2007;
7. Таненбаум Э. Архитектура компьютера, Питер, 2002;
8. Халд Г. Технологии передачи данных, Питер, 2003;
9. Архитектура фон Неймана //Электронный ресурс http://ru.wikipedia.org/wiki/Архитектура_фон_Неймана.