Аппаратная организация компьютеров и компьютерных систем. Основные характеристики устройств компьютера (процессор, память)
Аппаратные средства информатизации.
Человеком созданы специальные технические устройства, предназначенные для кодирования, обработки, передачи и хранения информации в цифровой форме (компьютер, принтер, сканер, модем и др.). Совокупность таких устройств принято называть аппаратными средствами информатизации.
Современный ПК может быть реализован в настольном (desktop), портативном(notebook) или карманном (handheld) варианте.
Структура аппаратного обеспечения компьютера
Рассмотрим структуру аппаратного обеспечения компьютера, представленную на схеме:
|
|
Основные блоки
|
системный блок | монитор | устройства ввода-вывода |
Устройства в составе системного блока |
материнская плата | центральный процессор | оперативная память | жёсткий диск | графическая плата | звуковая плата | сетевая плата | дисковод | CD-привод | DVD-привод | TV-тюнер |
Периферийные (внешние) устройства |
принтер | сканер | графопостроитель (плоттер) | модем | микрофон | акустика | ИБП – источник бесперебойного питания | клавиатура | мышь | графический планшет | тачпад | вебкамера | фотокамера |
Системный блок компьютера
Все основные компоненты настольного компьютера находятся внутри системного блока: системная плата с процессором и оперативной памятью, накопители на жестких и гибких дисках, CD-ROM и др. Кроме этого, в системном блоке находится блок питания.
На данном уроке мы рассмотрим характеристики устройств, входящих в состав системного блока. Раздел 1.Устройства, входящие в состав системного блока
1.1.1.Материнская плата
Материнская плата — печатная плата, на которой осуществляется монтаж большинства компонентов компьютерной системы. Название происходит от английского motherboard, иногда используется сокращение MB или слово mainboard — главная плата.
Материнская плата обеспечивает связь между всеми устройствами ПК, посредством передачи сигнала от одного устройства к другому.
На поверхности материнской платы имеется большое количество разъемов предназначенных для установки других устройств: sockets – гнезда для процессоров; slots – разъемы под оперативную память и платы расширения; контроллеры портов ввода/ вывода.
1.1.2.Центральный процессор
Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.
Большинство устройств компьютера имеют собственные встроенные процессоры. Процессор клавиатуры обеспечивает перевод сигнала, поступившего от нажатой клавиши, в двоичный код; процессор игольчатого принтера преобразует двоичные коды в команды, управляющие сменой положения иголок печатающей головки; процессор сетевой карты обеспечивает “посредничество” между компьютером и сетью, подготавливает нужный формат данных, передаваемых от рабочей станции к серверу. Тем не менее, когда речь идет об обработке информации в сети, почти всегда имеется в виду ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР (ЦП) или ЦЕНТРАЛЬНОЕ ПРОЦЕССОРНОЕ УСТРОЙСТВО (ЦПУ)
Назначение.
Центральный процессор – это устройство компьютера, которое обеспечивает общее управление компьютером и осуществляет вычисления по хранящейся в ОЗУ программе.
ЦПУ определяет производительность, эффективность всей вычислительной системы, он регулирует, управляет и контролирует рабочий процесс.
Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров.
Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.
Логически центральный процессор представляет собой совокупность арифметико-логического устройства (АЛУ) и центрального устройства управления (УУ).
В состав центрального процессора входят арифметико-логическое устройство, устройство управления, внутренняя регистровая память (регистры), КЭШ-память и некоторые другие устройства.
1. АЛУ - арифметико-логическое устройство, предназначенное для выполнения арифметических и логических операций (то есть является собственно вычислителем ЭВМ). Операции выполняются с помощью электронных схем, каждая из которых состоит из нескольких тысяч элементов. Микросхемы имеют высокую плотность и быстродействие. На современном технологическом уровне все АЛУ можно разместить на одном кристалле полупроводникового элемента размером с конторскую скрепку.
Арифметико-логическое устройство выполняет вычисления. В результате работы АЛУ данные изменяют свои значения. К операциям, выполняемых АЛУ относятся сложение, вычитание, логические операции И, ИЛИ, сравнение. Выполняемая функция определяется микрокомандой, получаемой от устройств управления.
Действия с действительными числами (представленными в форме с плавающей запятой) выполняются в специальном блоке. В некоторых компьютерах (например, в IBM-386) с этой целью использовался арифметический (математический) сопроцессор.
В АЛУ имеются собственные регистры. Это набор программно-доступных быстродействующих ячеек памяти, которые называются регистрами процессора.
2. УУ - устройство управления, обеспечивающее общее управление логическим процессом по программе, хранящейся в основной памяти, и координацию работы всех устройств ПЭВМ.
УУ имеет в своем составе три устройства регистр команд, который содержит код команды во время ее выполнения, программный счетчик, в котором содержится адрес очередной подлежащей выполнению команды, регистр адреса, в котором вычисляются адреса операндов, находящихся в памяти. Для связи пользователя с ЭВМ предусмотрен пульт управления, который позволяет выполнять такие действия, как сброс ЭВМ в начальное состояние, просмотр регистра или ячейки памяти, пошаговое выполнение программы при ее отладке и т.д.
3. Внутренняя регистровая память. В состав МП входят регистры, ячейки памяти длиной 8, 16, 32 бита. Каждый регистр может использоваться для одного слова данных. Среди обязательного набора регистров процессора можно отметить следующие. Регистр данных – служит для временного хранения промежуточных результатов при выполнении операции. Регистр аккумулятор – регистр временного хранения, который используется в процессе вычислений (например, в нем формируется результат выполнения команды умножения). Регистр указатель стека – используется при операциях со стеком, т.е. такой структурой данных, которая работает по принципу: последним вошел – первым вышел, т.е. последнее записанное в него значение извлекается из него первым. Стеки используются для организации подпрограмм. Индексные, указательные и базовые регистры используются для хранения и вычисления адресов операндов в памяти. Регистры-счетчики используются для организации циклических участков в программах. Регистры общего назначения, имеющиеся во многих ЭВМ, могут использоваться для любых целей.
Микропроцессор характеризуется:
1) тактовой частотой;
2) разрядностью;
3) архитектурой.
1) Тактовая частота определяется максимальным временем выполнения элементарного действия в микропроцессоре. Работа микропроцессора (МП) синхронизируется импульсами тактовой частоты от задающего генератора. Чем выше тактовая частота МП (при прочих равных условиях) тем выше его быстродействие.
Быстродействие - скорость обработки информации (измеряется количеством операций в секунду). При одинаковой тактовой частоте быстродействие ПЭВМ может быть различно.
2) Разрядностью МП называют максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут передаваться или обрабатываться одновременно.
Понятие «разрядность» включает:
разрядность внутренних регистров МП;
разрядность шины данных;
разрядность шины адреса
Первые процессоры были 4-разрядными. Современные процессоры семейства Intel Pentium являются 32-разрядными, хотя и работают с 64-разрядной шиной данных (разрядность процессора определяется не разрядностью шины данных, а разрядностью командной шины).
Первые процессоры могли работать с частотой не выше 4,77 МГц, а сегодня рабочие частоты, некоторых процессоров уже превосходят 500 МГц.
Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая, в отличие от процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводников и микросхем. По чисто физическим причинам материнская плата не может работать со столь высокими частотами, как процессор. Сегодня ее предел составляет 100-133 МГц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение частоты на коэффициент 3; 3,5; 4; 4,5; 5 и более.
Определяющую роль в принадлежности МП к тому или иному классу играет разрядность внутренних регистров (внутренняя длина слова). Она измеряется количеством бит информации, которую можно одновременно хранить или обрабатывать в них.
Разрядность шины данных измеряется количеством информации, которую можно передать по шине за один такт. От разрядности шины данных (внешней длины слова) зависит скорость передачи информации между МП и другими устройствами.
Разрядность шины адреса определяет адресное пространство МП, то есть максимальное количество полей (обычно байтов) памяти, к которым можно осуществить доступ. Если, например, разрядность шины адреса равна 20, то общее количество адресуемых ячеек памяти составит 220, т.е. примерно, один миллион ячеек.
Архитектура процессора в основном характеризуется набором тех регистров, которые входят в состав процессора.
В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называются многопроцессорными.
Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая, в отличие от процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводников и микросхем. По чисто физическим причинам материнская плата не может работать со столь высокими частотами, как процессор. Сегодня ее предел составляет 100-133 МГц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение частоты на коэффициент 3; 3,5; 4; 4,5; 5 и более.
История и производители процессоров:
Первый микропроцессор Intel 4004 был представлен 15 ноября 1971 года корпорацией Intel. Он был 4-разрядный, содержал 2300 транзисторов, работал на тактовой частоте 108 кГц и стоил 300$. Его сменили 8-разрядный Intel 8080 и 16-разрядный 8086, заложившие основы архитектуры всех современных процессоров.
Наиболее популярные процессоры сегодня производят фирмы Intel и AMD. Среди процессоров от Intel: Pentium 4, Celeron (упрощённый вариант Pentium), Core 2 Duo (двуядерный), Xeon (серия процессоров для серверов), Itanium и др. AMD, появившаяся на рынке позже, имеет в своей линейке процессоры: Duron, Sempron (сравним с Intel Celeron), Athlon, Athlon 64, Athlon 64 X2, Opteron и др.