Аппаратное обеспечение работы компьютера Основные функциональные части эвм

Основные принципы устройства ЭВМ были предложены в 1945 году американским математиком венгерского происхождения Джоном фон Нейманом. В соответствии с ними в любой ЭВМ должны иметься четыре основных функциональных части, взаимо­действие между которыми можно упрощенно изобразить в виде схемы (см. рис. 4). Так, в общих чертах, работают все ЭВМ, (от калькуляторов до суперкомпьютеров).

Рис. 4. Функциональная схема ЭВМ¹.

Архитектура компьютера

Архитектура компьютера — это его концептуальная струк­тура, описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы ко­манд, системы адресации, организации памяти и т.д. Общность ар­хитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Наиболее распространены следующие архитектурные решения.

Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа. Это однопроцессорный ком­пьютер. К классическому типу архитектуры относятся также ком­пьютеры с общей шиной, все функциональные блоки которых свя­заны между собой системной магистралью (общей шиной).

Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере не­скольких процессоров означает, что параллельно может быть орга­низовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины, имеющей общую опера­тивную память и несколько процессоров, представлена на рис. 5.

Рис. 5. Архитектура многопроцессорного компьютера

Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе — то есть по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одина­ковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных. Структура таких компью­теров представлена на рис. 6.

Рис. 6. Архитектура с параллельным процессором

Необходимо отметить, что в современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений, а также существуют и такие архитектурные решения, которые ра­дикально отличаются от рассмотренных выше.

Структура персонального компьютера

Структура компьютера – это совокупность его функциональ­ных элементов и связей между ними. Элементами могут быть са­мые различные устройства – от основных логических узлов ком­пьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации (см. рис. 7).

Рис. 7. Структурная схема компьютера¹

Ц ентральный процессор

Центральный процессор (ЦПУ, CPU, от англ. Central Processing Unit) – центральный блок, пред­назначенный для управления работой всех блоков и для выполнения арифметических и ло­гических операций. Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров².

В его составе:

• Устройство управления (УУ) в нужные моменты времени фор­мирует и подает во все блоки сигналы управления.

• Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет все арифметические и логические операции. В некоторых ПК к АЛУ подключается математический сопроцессор для ускорения выпол­нения операций.

• Арифметический сопроцессор (FPU) предназначен для выпол­нения операций над числами в формате с плавающей точкой и длинными целыми числами. Сопроцессор может выполнять как простые арифметические операции (сложение, деление и т.п.), так и вычислять значения различных функций (синус, логарифм и т. п.).

• Микропроцессорная память (МПП) служит для кратковремен­ного хранения информации, обрабатываемой в ближайшие такты работы машины.

• Интерфейсная система¹ реализует связь со всеми устрой­ствами ПК.

Генератор тактовых импульсов

Генерирует последовательность электрических импульсов, частота которых определяет тактовую частоту компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

Системная шина

Это основная интерфейсная часть компьютера, обеспечиваю­щая связь всех его частей между собой, это многопроводная линия с гнездами для подключения электронных схем. Управление ею осуществляет микропроцессор. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных, шину управления, шину питания.

С истемная плата

Материнская плата (жарг.; англ. motherboard) – это сложная многослойная печатная плата, на кото­рой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера (центральный процес­сор, контроллер ОЗУ и собственно ОЗУ, загрузочное ПЗУ, контроллеры базовых интерфейсов ввода-вы­вода). Как правило, системная плата содержит разъёмы (слоты) для подключения дополнительных контроллеров.

Контроллер

Это устройство, которое связывает периферийное оборудова­ние или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функцио­нированием данного оборудования.

Память компьютера

Память построена из двоичных запоминающих элементов – битов, объединенных в байты¹. Все байты пронумерованы, номер байта называется его адресом. Байты могут объединяться в ячейки, которые называются словами. Различают внутреннюю и внешнюю память, к каждой из которых относится целый набор различных за­поминающих устройств (ЗУ).

Внутренняя память

Постоянная запоминающее устройство (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory – память только для чтения) – энергонезависимая² па­мять, используется для хранения данных, которые никогда не по­требуют изменения.

Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) – энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого с дискеты.

Модуль BIOS (Basic Input/Output System = базовая система ввода-вывода) – важнейшая микросхема постоянной или Flash-па­мяти. Это совокупность программ, предназначенных для автомати­ческого тестирования устройств после включения питания компью­тера и загрузки операционной системы в оперативную память. BIOS, с одной стороны, элемент аппаратуры, а с другой – модуль операционной системы.

CMOS RAM – это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Хранит информа­цию о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы. Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS (Set-up = «устанавливать»).

Видеопамять (VRAM) – разновидность ОЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. Содержимое видеопамяти доступно и процессору, и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.

Перечисленные выше виды относят к так называемой специ­альной памяти.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory – память с произвольным доступом) – это энергозависимое быстрое запоминающее устройство, непосред­ственно связанное с процессором и предназначенное для оператив­ной записи, хранения и считывания информации, участвующей в текущем вычислительном процессе.

Кэш (англ. cache) или сверхоперативная память – очень бы­строе ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для ус­корения операций. Например, для ускорения операций с основной памя­тью организуется регистровая КЭШ-память внутри микропроцессора (КЭШ-память первого уровня) или вне микропроцессора на материнской плате (КЭШ-память второго уровня); для ускорения операций с дисковой памятью организуется КЭШ-память на ячейках электронной памяти.

Внешняя память

Внешняя память относится к внешним устройствам компью­тера и используется для длительного хранения информации. Це­лостность её содержимого не зависит от того, включен или выклю­чен компьютер. К ней относятся:

• накопители на жёстких магнитных дисках (НЖМД) – винчестеры;

• н акопители на гибких магнитных дисках (НГМД);

• накопители на компакт-дисках;

• накопители на магнитной ленте (стримеры);

• накопители на магнитно-оптических дисках.

Внешние устройства компьютера

• Внешняя память (см. выше).

• Диалоговые средства пользователя – видеомониторы, реже устройства речевого ввода-вывода информации.

• Устройства ввода информации – клавиатура, сканеры, сенсорные экраны и т.д.

• Устройства вывода – принтеры и графопостроители.

• Средства связи и телекоммуникации.

Средства мультимедиа

Это условно выделенная группа устройств – комплекс средств, по­зволяющих человеку общаться с компьютером, используя звук, графику, анимацию и т.д. (это устройства речевого ввода-вывода, сканеры, звуковые и видеоплаты, акустические системы и т.д.).

Видеокарта (видеоадаптер) – электронная плата, которая обрабатывает видеоданные (текст и графику) и управляет работой дисплея. Видеоадаптер посылает в дисплей сигналы управления яркостью лучей и сигналы развертки изображения. Содержит видеопамять, регистры ввода вывода и модуль BIOS.

Графические акселераторы (ускорители) – специализированные графические сопроцессоры, освобождающие процессор от построения кадров изображения. В современных компьютерах используются видеокарты со встроенными акселераторами.

Звуковая карта (звуковая плата) – дополнительное оборудование, позволяющее обрабатывать звук (выводить на акустические сис­темы и/или записывать). Чаще всего представлены в виде интегриро­ванного в материнскую плату аппаратного кодека.

Порты ввода-вывода

П орт компьютера предназначен для обмена информацией между внешними устройствами и подключенными к шине внутри компью­тера. Одними из первых универсальных портов были так называе­мые последовательный порт (COM-порт, Communication port), через который передаваемые байты информации проходят после­довательно по одному биту, и параллель­ный порт (LPT-порт, Line Printer Terminal), через который байты передаются одновре­менно (параллельно). Первые последова­тельные порты работали гораздо медленнее параллельных, но сейчас скорость их работы стала достаточной для подключения быстро­действующих уст­ройств. Современные по­следовательные порты – это USB-порты компьютера (Universal Serial Bus – «универ­сальная после­довательная шина»). Они стали своего рода стандартом для подключения внешних устройств, кроме того, от них автономные внешние уст­ройства могут получать электрическое питание.