Архитектура компьютера

 
 
 
 

Содержание: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение

     Данная  работа посвящена теме «Архитектура и принцип работы персонального компьютера, назначение и характеристики устройств». Бурный процесс научно-технической революции и компьютеризации большей части деятельности общества приводит к необходимости владения компьютерной техникой любого члена современного общества. Современному человеку необходимо не только владеть основными навыками работы с компьютером (работа с офисными пакетами, в частности  MS Word), но и знать устройство компьютера. Именно этими факторами обусловлена актуальность данной работы.

     Целью данной работы является исследование архитектуры и принципов работы современного компьютера, а также изучение его основных устройств и их характеристик. Задачи исследования вытекают из поставленной  исследования:

1. Определить, что понимается под архитектурой компьютера.
2. Изучить принцип работы современного компьютера.
3. Исследовать основные устройства компьютера, их назначение и характеристики.

     В работе использовались различные источники, список которых приведен ниже. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1. Архитектура компьютера, структурная схема

     Архитектурой компьютера называют, прежде всего, систему составляющих компьютер устройств и взаимосвязей между ними, а также совокупность правил, по которым происходит это взаимодействие. К архитектуре компьютера относятся характеристики отдельных устройств компьютера, структура и способы доступа к памяти и к внешним устройствам, система машинных команд компьютера, форматы данных, используемые в машинных командах, и др.¹

     В основу архитектуры современных  персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами (Рис. 1). 

     

 
 

     2. Принцип работы  компьютера

     Прежде  всего, компьютер должен иметь следующие устройства:

     - арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;

     - устройство управления, которое организует процесс выполнения программ;

     - запоминающее устройство, или память для хранения про 
грамм и данных;

     - внешние устройства для ввода-вывода информации.

     Память  компьютера должна состоять из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легко доступны для других устройств компьютера.

     Вот каковы должны быть связи между устройствами компьютера (Рис 2. - одинарные линии показывают управляющие связи, двойные - инфрормационные).

       

     В общих чертах работу компьютера можно описать так. Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа. Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических или логических операций, чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций или запись их результатов в память, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство.

     Как правило, после выполнения одной команды устройство управления начинает выполнять команду из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что тому следует продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в некоторой другой ячейке памяти. Такой «скачок», или переход, в программе может выполняться не всегда, а только при выполнении некоторых условий, например, если некоторые числа равны, если в результате различные последовательности команд в зависимости от выполнения определенных условий и т.д., т.е. создавать сложные программы.²

     3. Основные устройства компьютера

     3.1 Устройство управления.

     Микропроцессор (МП). Это центральный блок компьютера, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

     В состав микропроцессора входят:

     - устройство управления (УУ) — формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памятиспользуемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов;

     - арифметико-логическое устройство (АЛУ) — предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях компьютеров для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор);

     - микропроцессорная память (МПП) — служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Регистры — быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек основной памяти, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие);³

- интерфейсная  система микропроцессора - реализует сопряжение и связь с другими устройствами компьютера; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной. Интерфейс (interface) — совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. Порт ввода-вывода (I/O — Input/Output port) — аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК.

Пользовательские характеристики:

- степень интеграции микросхемы- показывает, сколько транзисторов может в ней уместиться.

- тактовая частота - определяется максимальным временем выполнения элементарного действия в микропроцессоре. Чем выше тактовая частота МП (при прочих равных условиях), тем выше его быстродействие;

- адресное  пространство.  Разрядность  адресной  шины 
определяет количество ячеек оперативной памяти, к которым может адресоваться ЦПУ. При n-разрядной адрес 
ной шине адресное пространство равно 2";

- разрядность максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно.

     3.2 Устройства передачи информации.

     Системная шина. Это основная интерфейсная система  компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина включает в себя:

     - кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;

     - кодовую шину адреса (КША), включающую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;

     - кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины;

     - шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.

     Системная шина обеспечивает три направления  передачи информации:

1. между микропроцессором и основной памятью;
2. между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
3. между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств в режиме прямого доступа к памяти).

     Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему - контроллер шины, формирующий основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.

     Пользовательские  характеристики:

     - разрядность - количество битов информации, параллельно «проходящих» через неё. Чем выше разрядность шины, тем больше данных может быть передано за определенный промежуток времени и тем выше производительность компьютера;

     - пропускная способность - количество битов информации, передаваемых по шине за секунду.⁴

     3.3 Устройства хранения информации.

     Внутренняя  память. Она предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. Внутренняя память содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

     ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (изменить информацию в ПЗУ нельзя).

     ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом компьютером в текущий период времени. Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка оперативной памяти следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость).

     Основные  пользовательские характеристики:

     - ёмкость (объём) — количество байтов памяти. Однако часто байт оказывается слишком малой единицей, поэтому используют систему более крупных единиц: килобайт (Кбайт) — 1024 байта = 2¹⁰ байтов; мегабайт (Мбайт) — 1024 Кбайт; гигабайт (Гбайт) — 1024 Мбайт;

     - быстродействие — время обращения к ячейкам памяти, определяемое временем считывания или временем записи информации. Измеряется в наносекундах (10~⁹ с);

      - разрядность — количество линий ввода/вывода, которые 
имеют микросхемы оперативной и постоянной памяти 
или внешние накопители.⁵

     Внешняя память - предназначена для долговременного хранения информации и характеризуется большим объёмом памяти и низким по сравнению с ОЗУ быстродействием.

     Под внешней памятью компьютера подразумевают обычно как устройства для чтения/записи информации — накопители, так и устройства, где непосредственно хранится информация — носители информации.

     Как правило, для каждого носителя информации существует свой накопитель.

     В персональных компьютерах к подобным устройствам относятся:

     - накопители на гибких магнитных дисках, предназначенные для чтения/записи информации на гибкие диски (дискеты);

     -  накопители на жёстких магнитных дисках, или винчестеры;

     -  дисководы для работы с лазерными компакт-дисками;

     - стримеры, предназначенные для чтения/записи информации на магнитные ленты;

     - магнито-оптические дисководы для работы с магнито-оптическими дисками.