Магистрально-модульный принцип построения компьютера        Компьютер (от анг. computer – вычислитель) – это программируемое электронное устройство, предназначенное для накопления, обработки и передачи информации.         Архитектура компьютера – это его описание на некотором общем уровне, включающее логическую организацию, структуру и ресурсы компьютера.

      В основу архитектуры современных компьютеров положены принципы Джона фон Неймана и магистрально-модульный принцип. 

     Суть этих принципов: 

      1. Джон фон Нейман выдвинул идею нового типа логической организации ЭВМ: 

•   Наличие устройства ввода-вывода информации;

•   Адресуемая память;

•   Процессор, состоящий из устройства управления и арифметико-логического устройства;

•   Данные и программы хранятся вместе

      Именно эти устройства являются базовыми и достаточными для работы компьютера на пользовательском уровне.

      2. Компьютер не является неделимым, цельным объектом. Он состоит из некоторого количества устройств – модулей. (Комплектовать свой компьютер из этих модулей пользователь может по собственному желанию).А связаны все модули компьютера между собой через набор электронных линий – магистраль(системная шина). Шина - это кабель, состоящий из множества проводов. 

     Магистраль обеспечивает обмен данными между устройствами компьютера.

     Магистраль состоит из трех частей:

1. Шина адреса, на которой устанавливается адрес требуемой ячейки памяти или устройства, с которым будет происходить обмен информацией.

2. Шина данных, по которой будет передаваться необходимая информация.

3. Шина управления, регулирующая этот процесс. (по шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Эти сигналы показывают – какую операцию следует производить).

      Для того, чтобы компьютер функционировал правильно, необходимо, чтобы все его устройства работали дружно, «понимали» друг друга и «не конфликтовали». Это обеспечивается благодаря одинаковому интерфейсу, который имеют все устройства компьютера.        Интерфейс – это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой.        Так как обмен данными между устройствами происходит через магистраль, то для согласования интерфейсов все внешние устройства подключаются в шине не напрямую, а через свои контроллеры(адаптеры) и порты.

     Порты бывают последовательные и параллельные. К последовательным портам присоединяют медленно действующие или удаленные устройства (мышь, модем), а к параллельным более быстрые (сканер, принтер). Клавиатура и монитор подсоединяется к специализированным портам.

     Для того, чтобы по ошибке или незнанию не подключить устройство к чужому порту, каждое устройство имеет индивидуальную форму штеккера, не подходящую к "чужому" разъему.

Системный блок компьютера        Современный персональный компьютер может быть реализован в настольном (desktop), портативном (notebook) или карманном (handheld) варианте. 

      Корпус системного блока может иметь горизонтальную (DeskTop) или вертикальную (Tower — башня) компоновку. 

     Современный персональный компьютер состоит из нескольких основных конструктивных компонентов: 

• системного блока;

• монитора;

• клавиатуры;

• манипуляторов.

     Системный блок – самый главный блок компьютера. К нему подключаются все остальные блоки, называемые внешними или периферийными устройствами. В системном блоке находятся основные электронные компоненты компьютера.

ПК построен на основе СБИС (сверхбольших интегральных схем), и почти все они находятся внутри системного блока, на специальных платах (плата - пластмассовая пластина, на которой закреплены и соединены между собой электронные компоненты - СБИСы, микросхемы и др.). Самой важной платой компьютера является

системная плата. На ней находятся центральный процессор, сопроцессор, оперативное запоминающее устройство – ОЗУ и разъемы для подключения плат-контроллеров внешних устройств. 

      В системном блоке размещаются:

• блок питания - устройство, преобразующее переменное напряжение электросети в постоянное напряжение различной полярности и величины, необходимое для питания системной платы и внутренних устройств. Блок питания содержит вентилятор, создающий циркулирующие потоки воздуха для охлаждения системного блока. 

• системная плата (материнская плата); 

• магистраль (системная шина); 

• процессор; 

• звуковая карта; 

• видеокарта (графическая карта);

• накопители на жёстких магнитных дисках; 

• накопители на гибких магнитных дисках; 

• оптические, магнитооптические и пр. накопители.

Системная плата      Системная (материнская, главная) плата является центральной частью любого компьютера, на которой размещаются в общем случае

центральный процессор, сопроцессор, контроллеры, обеспечивающие связь центрального процессора с периферийными устройствами, оперативная память (RAM), кэш-память, элемент ROM-BIOS (базовой системы ввода/вывода), аккумуляторная батарея, кварцевый генератор тактовой частоты и слоты (разъемы) для подключения других устройств.        Общая производительность системной платы определяется не только тактовой частотой, но и количеством (разрядностью) данных, обрабатываемых в единицу времени центральным процессором, а также разрядностью шины обмена данных между различными устройствами системной (материнской) платы. Процессор                

Процессор - это электронная схема, выполняющая обработку информации.

Процессор является основной микросхемой компьютера и представляет собой небольшую плоскую полупроводниковую пластину размером примерно 2Х2 см., на которой размещается десятки млн функциональных элементов. У компьютеров 4 поколения функции процессора выполняет микропроцессор – сверхбольшая интегральная схема, реализованная в едином полупроводниковом кристалле площадью меньше 0,1 см² .

На таком кристалле может размещаться до 5,5 млн. транзисторов. Эти элементы образуют сложную структуру и позволяют процессору производить обработку информации с очень высокой скоростью. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый  или керамический корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к материнской плате компьютера.

Назначение микропроцессора:

1. Выполнять команды программы, находящейся в оперативной памяти.

2. Координировать работу всех устройств компьютера.

В состав процессора обязательно входят:

• устройство управления (координирует работу всех устройств компьютера);

• арифметико-логическое устройство (выполняет команды программы, находящейся в оперативной памяти);

• регистры памяти (ячейки, в которых по очереди помещаются команды программы, по которой работает процессор и вся необходимая информация для их выполнения);

•  шины данных, команд, адресов (по этим магистралям происходит обмен данными между внутренними устройствами процессора и внешними по отношению к нему).

        

Характеристики процессора:

      1. Тактовая частота – скорость передачи информации между устройствами компьютера (измеряется в МГц и ГГц 1МГц=миллион тактов в секунду).             Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет за одну секунду. 

 Такт – это промежуток времени между двумя последовательными импульсами, подаваемыми специальной микросхемой –генератором тактовой частоты (вырабатывает электрические импульсы и посылает их по проводам; чем быстрее идет электрический сигнал, тем быстрее процессор обрабатывает информацию).    2. Разрядность процессора - это число одновременно обрабатываемых процессором битов.

     Регистр - это ячейка процессора, в которой хранится машинное слово. Машинное слово представляет собой некоторое число или команду, которые записаны в двоисном виде. Существует много разнообразных процессоров, и у каждого свои регистры. Регистры бывают 8-, 16-, 32-, 64-разрядные. Это значит в регистр помещается соответственно 8, 16, 32, 64 бита двоичной информации. Именно размер регистра определяет разрядность процессора.

     Различают внутреннюю и внешнюю разрядность.

     Внутренняя разрядность процессора определяет, какое количество битов он может обрабатывать одновременно при выполнении арифметических операций.        Внешняя разрядность процессора определяет сколько битов одновременно он может принимать или передавать во внешние устройства. 

     3.Адресное пространство процессора - максимальное количество памяти, которое процессор может обслужить.      Одной из функций процессора является организация обмена данных между внешней памятью и оперативной памятью.  Для того, чтобы в оперативной памяти найти нужные данные,  процессор должен знать их адрес. Адрес к процессору передается по адресной шине. Если шина является N-разрядной, то по ней можно передать 2^N  двоичных чисел.        2^N - это объем адресного пространства процессора.

Внутренняя память компьютера       Так как компьютер моделирует все информационные функции человека, то он должен иметь память для хранения информации. Память в компьютере используется нескольких типов,отличающихся по своему функциональному назначению. Рассмотрим память компьютера, которая по отношению к процессору является внутренней. Она является обязательной частью любого компьютера и располагается на материнской плате.       Внутренняя память компьютера различается по типам.

     В состав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-память ,специальная память.

      1. Оперативное запоминающее устройство ОЗУ  - это энергозависимый вид памяти компьютера, предназначенный для хранения информации.

     Оперативная память (RAM - Random Access Memory)  изготавливается в виде модулей памяти. Модули памяти представляют собой пластины с рядами контактов, на которых размещаются БИС ( большие интегральные схемы) памяти.  

     Модули памяти могут различаться по размеру и количеству контактов, быстродействию, информационной емкости.

     Объем (информационная емкость) оперативной памяти зависит от количества разрядов, отведенных под адрес. Объем оперативной памяти увеличивается из поколения в поколение. В современных компьютерах он составляет от 512 Мбайт до 4 Гигабайт.

      Важнейшей характеристикой модулей ОЗУ является быстродействие, которое зависит от максимально возможной частоты операций записи или считывания информации из ячеек памяти.

     Работа компьютера с пользовательскими программами начинается после того как данные будут считаны из внешней памяти в ОЗУ. ОЗУ работает синхронно с центральным процессором и имеет малое время доступа. Оперативная память сохраняет данные только при включенном питании. Отключение питания приводит к необратимой потере данных, поэтому пользователю, работающему с большими массивами данных в течение длительного времени, рекомендуют периодически сохранять промежуточные результаты на внешнем носителе.    

ДОПОЛНИТЕЛЬНО ВИДЫ ОЗУ

           2. Кэш-память - очень быстрое запоминающее устройство небольшого объема, которое используется при обмене данными между процессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью.  

     Кэш-памятью управляет специальный контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. 

Существуют два типа кэш-памяти: внутренняя (от 8 до 64 Кбайт) - размещается внутри процессора и внешняя (от 256 Кбайт до 1 Мбайт) устанавливается на системной плате.

      3.Специальная память 

     К устройствам специальной памяти относятся постоянная память (ROM),перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory), память CMOS RAM, питаемая от батарейки, видеопамять и некоторые другие виды  памяти.

Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory — память только для чтения) — энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения.       Содержание памяти специальным образом "зашивается” в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.      Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой,принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера,тестирования устройств.

     Важнейшая микросхема перепрограммируемой постоянной или Flash-памяти —модуль BIOS.