. Общая архитектура компьютера

Компьютер - это устройство, способное исполнять последовательность операций, заданную программой. Персональный компьютер характеризуется тем, что им может пользоваться один человек, не прибегая к помощи бригады обслуживающего персонала и не отводя для него специального зала с искусственно-поддерживаемым климатом, мощной системой электропитания и прочими атрибутами больших вычислительных машин.

В дальнейшем для упрощения материала вместо словосочетания "персональный компьютер" будем использовать одно слово "компьютер".

В настоящее время наибольшее распространение получили компьютеры, принадлежащие к семейству так называемых IBM-совместимых компьютеров.

Общая архитектура IBM-совместимого компьютера (рис.1) имеет следующие основные особенности:

 Открытость архитектуры, определяемая обязательным наличием хотя бы одной шины расширения, которая позволяет подключать различные периферийные устройства к компьютеру.

 Использование контроллера аппаратных прерываний для организации обмена данными между процессором и периферийными устройствами.

 Использование подсистемы прямого доступа к памяти для организации обмена данными между памятью и периферийными устройствами без участия процессора.

 Применение портов ввода-вывода для связи процессора с периферийными устройствами.

 Унифицированное распределение портов ввода-выводадля стандартных периферийных устройств.

 Одинаковое распределение памяти для всех IBM-совместимых компьютеров в диапазоне физических адресов от 0 до 1 Мбайта.

Рис.1. Общая архитектура IBM-совместимого компьютера

1.1. Процессор

Основное назначение процессора - обработка данных и управление устройствами компьютера. В любом IBM-совместимом компьютере используются процессоры, программно-совместимые с семейством 80x86 фирмы Intel. Термин "программная совместимость" означает возможность исполнения программ в машинном коде, разработанных для младших моделей семейства, на старших моделях семейства.

1.2. Память

Память компьютера предназначается для хранения информации - кодов команд и данных. Информация в памяти хранится в двоичных кодах, каждый бит - элементарная ячейка памяти - может принимать два значения: "0" и "1". Каждая ячейка памяти имеет свой уникальный адрес. Минимальной адресуемой единицей хранения информации в памяти является байт, состоящий из 8 бит.

В общем случае память характеризуется следующими основными параметрами:

1. Объем хранимой информации, обычно выраженный в байтах.

2. Время доступа - усредненная задержка перед началом обмена полезной информацией с памятью относительно появления запроса на чтение/запись данных.

3. Скорость обмена информацией при передаче потока данных (после задержки на время доступа).

4. Удельная стоимость хранения единицы информации. Рассчитывается как отношение полной стоимости устройства памяти к его информационной емкости.

5. Энергонезависимость - способность хранения информации при отключении питания.

В компьютере используются следующие разновидности памяти:

• Внутренняя память - электронная (полупроводниковая) память, устанавливаемая на системной плате компьютера или платах расширения. Процессор непосредственно обращается к информации, содержащейся во внутренней памяти.

• Внешняя память - память, реализованная в виде устройств с различными принципами хранения информации. Она используется для хранения файлов данных. Процессор может иметь доступ к содержащейся в этих файлах информации только после ее считывания во внутреннюю память. К устройствам внешней памяти относятся:

  • Устройства магнитной памяти, как дисковые (накопители гибких дисков и жестких дисков - винчестеры), так и ленточные накопители (стриммеры).

  • Устройства оптической и магнитооптической памяти, например накопители CD-ROM, DVD-ROM и т.д.

Более подробно принципы работы и основные технические характеристики устройств внешней памяти рассматриваются в главе 3.

Внутренняя память, в свою очередь, подразделяется на два вида - оперативную и постоянную.

 

Оперативная память (RAM - Random Access Memory - память с произвольным доступом), как это следует из ее названия, используется для оперативного хранения информации. Недостаток оперативной памяти состоит в том, что она недолговременная, т.е. после отключения питания компьютера содержимое его оперативной памяти стирается. По способу хранения информации оперативная память подразделяется на два вида:

• Статическая память (SRAM - Static RAM), запоминающим элементом которой является триггер. Статическая память имеет очень высокое быстродействие - типичное время доступа к ячейке на чтение/запись составляет 5-15 нс. Однако, емкость статического ОЗУ обычно невелика (не более, чем 0.5-2 Мбайта) из-за его высокой стоимости. Статическая память применяется в компьютере в основном для построения кэш-памяти (см. ниже).

• Динамическая память (DRAM - Dynamic RAM), запоминающим элементом которой является конденсатор. Быстродействие динамической памяти сравнительно невелико - типичное время доступа к ячейке на чтение/запись составляет 50-70 нс. С течением времени заряд на конденсаторе уменьшается (обычно через 5-10 мс он исчезает совсем), поэтому для динамической памяти требуется периодическая регенерация информации - восстановление зарядов в ячейках памяти. Динамическая память может иметь очень большую емкость (4-512 Мбайт), поэтому она используется для организации основной оперативной памяти компьютера.

 

Кэш-память представляет собой сверхбыстродействующее ОЗУ небольшой емкости, предназначенное для ускорения операций обмена данными между процессором и оперативной памятью. Малая емкость кэш-памяти обусловлена ее высокой стоимостью - вот плата за высокое быстродействие.

В общих чертах, кэш-память работает следующим образом. Содержимое кэш-памяти постоянно обновляется и хранит данные из оперативной памяти компьютера, к которым процессор обращался сравнительно недавно. При повторных запросах процессора на чтение, он получает данные не из относительно медленной оперативной памяти, а из более быстрой кэш-памяти.

В работе кэш-памяти возможно два возможных варианта обслуживания запроса на чтение данных:

• Промах - запрошенные процессором данные не содержатся в кэш-памяти. В результате промаха кэш-памяти, данные будут считаны из оперативной памяти, переданы процессору и сохранены в кэш-памяти для дальнейшего использования.

• Попадание - запрошенные процессором данные уже имеются в кэш-памяти. При попадании в кэш-память, данные из нее будут сразу же переданы процессору и останутся в кэш-памяти для дальнейшего использования. В этом случае чтение данных из оперативной памяти не производится совсем.

Для еще большего повышения производительности подсистемы памяти в компьютере используется двух-уровневая организация кэш-памяти:

• Кэш-память первого уровня - внутренняя кэш-память (объемом 4-32 Кбайта) размещается внутри процессора и работает с его скоростью (типичное время доступа составляет 2-5 нс).

• Кэш-память второго уровня (объемом 128-2048 Кбайта) устанавливается на системной плате и согласовывает

 

Постоянная память (ROM - Read Only Memory - память только для чтения, подругому иногда она называется NVRAM - Non Volatile RAM - энергонезависимая память) используется для долговременного хранения информации, т.е. после отключения питания компьютера содержимое его постоянной памяти сохраняется. Типичным применением постоянной памяти в компьютере является хранение базового программного обеспечения в постоянном запоминающем устройстве - ПЗУ (см. ниже). Быстродействие постоянной памяти невелико - типичное время доступа к ячейке на чтение составляет порядка 100 нс.

Основные виды, принципы работы и технические характеристики оперативной и кэш-памяти рассматриваются в главе 3.