Архитектура пк
Архитектура ЭВМ связана с набором качеств машины, влияющих на ее взаимодействие с пользователем. Архитектура ЭВМ определяется совокупностью ее свойств и характеристик, которые должен знать программист для эффективного использования ЭВМ при решении своих задач (система команд ЭВМ, способы адресации информации, распределение памяти и т.д.).
Архитектура определяет принципы организации вычислительной системы и функции центрального вычислительного устройства, но не отражает то, как эти принципы реализуются внутри ЭВМ.
Любая ЭВМ (в том числе и ПК) для выполнения своих функций должна иметь минимальный набор функциональных блоков:
блок для выполнения арифметических и логических операций (АЛУ – арифметико-логическое устройство);
блок для хранения информации, или память (ЗУ – запоминающее устройство);
устройство для ввода исходных данных (Увв) и устройство для вывода результатов (Увыв);
так как все эти устройства должны работать сообща, ими надо управлять, поэтому в структуре любой ЭВМ есть устройство управления (УУ), заставляющее все другие устройства выполнять в нужные моменты необходимые действия (рис. 2.1).
Современные компьютеры, базируясь на принципах классической структуры вычислительных машин, имеют некоторые отличия, обусловленные развитием техники и служащие решению важных для пользователя задач.
Во-первых, запоминающее устройство ЭВМ представлено несколькими уровнями. Уже в первых ЭВМ классической (называемой еще фон-неймановской – по имени американского ученого фон-Неймана) структуры выделялось два уровня запоминающих устройств: внутреннее ЗУ и внешнее ЗУ. Внешнее ЗУ служит хранилищем всей информации, необходимой для работы компьютера. Внутреннее ЗУ содержит информацию, обрабатываемую в нем в данный момент времени. В современных моделях компьютеров иерархия памяти представлена еще большим количеством уровней.
Рис. 2.1. Классическая структура ЭВМ:
АЛУ – арифметико-логическое устройство; ЗУ – запоминающее устройство;
УУ – устройство управления; Увв – устройство ввода;
Увыв – устройство вывода
Центральные устройства (АЛУ и УУ) объединены в единый блок, называемый центральным процессором.
В современных ЭВМ и ПК, в частности, имеется весьма большой арсенал устройств для ввода и вывода данных (разнообразные накопители на магнитных, оптических и магнитооптических дисках, сканеры, клавиатура, мышь, джойстик, принтеры, графопостроители).
Структурно современный ПК состоит из двух основных частей: центральной и периферийной. К центральной части обычно относят центральный процессор и внутреннюю память.
Центральным процессором (ЦП) называется устройство, непосредственно осуществляющее процесс обработки данных и программное управление этим процессом. В состав ЦП входят АЛУ, УУ, иногда собственная память процессора. Как правило, центральный процессор в современных компьютерах реализован в виде большой интегральной схемы и называется микропроцессором.
ЦП взаимодействует с внутренним ЗУ, называемым оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) или оперативной памятью (ОП). ОП предназначена для приема, хранения и выдачи информации (чисел, символов, команд, констант), т.е. всей информации, необходимой для выполнения операций в ЦП. Кроме оперативной памяти во всех компьютерах обычно имеется внутренняя постоянная память, используемая для хранения постоянных данных и программ.
Оперативная память – достаточно дорогая часть аппаратуры ПК. Она ограничена по объему. Для хранения больших объемов информации, которые не используются в данный момент времени процессором, предназначаются внешние запоминающие устройства (ВЗУ). К ним относятся: накопители на магнитных дисках; накопители на магнитных лентах; накопители на оптических и магнитооптических дисках.
В современных ПК реализована виртуальная память, которая предоставляет пользователю возможность работы с расширенным пространством оперативной памяти. Виртуальная память представляет собой совокупность оперативной памяти и внешних запоминающих устройств, а также комплекса программно-аппаратных средств, обеспечивающих динамическую переадресацию данных, в результате чего пользователь не должен заботиться о том, где располагаются необходимые ему данные (в ОЗУ или ВЗУ), а функции по требуемому перемещению данных берет на себя вычислительная система.
Совокупность ВЗУ и устройств ввода-вывода информация образует периферийную часть ЭВМ. Так как существует достаточно много разнообразных периферийных устройств, каждый ПК может быть укомплектован по-разному и иметь в своем составе те или иные периферийные устройства. Поэтому принято говорить о конфигурации ЭВМ, понимая под этим термином конкретный состав ее устройств с учетом их характеристик.
Передача информации из периферийных устройств в центральные называется операцией ввода, а передача информации из центральных устройств в периферийные – операцией вывода.
Производительность и эффективность использования ПК определяются не только возможностями его процессора и характеристиками ОП, но в большей степени составом его периферийных устройств, их техническими данными, а также способом организации их совместной работы с центральной частью ПК. Связь между устройствами ПК осуществляется с помощью сопряжений, которые в вычислительной технике называются интерфейсами.
Интерфейс представляет собой совокупность стандартизованных аппаратных и программных средств, обеспечивающих обмен информацией между устройствами.
В настоящее время для разных классов ЭВМ применяются различные принципы построения системы ввода-вывода и структуры вычислительной машины. В персональном компьютере, как правило, используется структура с одним общим интерфейсом, называемым также системной шиной. При такой структуре все устройства компьютера обмениваются информацией и управляющими сигналами через системную шину (рис. 2.2). Физически она представляет собой систему функционально объединенных проводов, по которым передаются три потока данных: непосредственно информация, управляющие сигналы и адреса.
Количество проводов в системной шине, предназначенных для передачи непосредственно информации, называется разрядностью шины. Разрядность шины определяет число битов информации, которые могут передаваться по шине одновременно. Количество проводов для передачи адресов или адресных линий определяет, какой объем оперативной памяти может быть адресован.
Поскольку шина является общей для всех устройств компьютера, в нем предусмотрена система приоритетных прерываний, устанавливающая, какое из устройств системы займет шину в данный момент времени. Поэтому каждому устройству, подключенному к шине, присваивается свой приоритет.
Рис. 2.2. Шинная структура ПК:
ЦП – центральный процессор; ОП – оперативная память;
ПП – постоянная память; К – контролер;
ПУ – периферийное устройство
Несомненными достоинствами ПК с шинной структурой являются ее простота, а следовательно, и невысокая стоимость; гибкость, так как унификация связи между устройствами позволяет достаточно легко включать в состав ПК новые модули, т.е. менять конфигурацию компьютера. К недостаткам следует отнести снижение производительности системы из-за задержек, связанных со временем ожидания устройствами возможности занять шину, пока осуществляется передача информации между устройствами с более высоким приоритетом. Для преодоления этого недостатка в персональных суперкомпьютерах используется архитектура с несколькими шинами.