Устройство и архитектура пк

Цель и задачи темы:

изучение основ устройства и архитектуры персонального компьютера.

В результате изучения темы студент должен знать:

устройство компьютера и основных его элементов;

уметь:

подобрать необходимую конфигурацию компьютера для работы.

Классификация ЭВМ по этапам создания

1-е поколение	50-е гг.	ЭВМ на электронных вакуумных лампах
2-е поколение,	60-е гг.	ЭВМ на транзисторах
3-е поколение	70-е гг.	ЭВМ на полупроводниковых интегральных схемах (сотни - тысячи транзисторов в одном корпусе);
4-е поколение	80-е гг.	ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах - микропроцессорах (десятки тысяч - миллионы транзисторов в одном кристалле)
5-е поколение	90-е гг.	ЭВМ с многими десятками параллельно работающих микропроцессоров; ЭВМ на сверхсложных микропроцессорах
6-е и последующие поколения	2000-е гг.	оптоэлектронные ЭВМ с нейронной структурой, моделирующие архитектуру нейронных биологических систем

Классификация ЭВМ по назначению

Рис.1. Классификация ЭВМ по назначению

Универсальные - для решения самых различных задач: отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных.

Проблемно-ориентированнные – решение более узкого круга задач, менее сложные алгоритмы и меньший объем обрабатываемых данных (управление технологическими процессами, накопление данных)

Специализированные – решение конкретного узкого круга задач, что позволяет сделать их проще и дешевле (например, терминалы для просмотра информации)

Классификация ЭВМ по размерам и функциональным возможностям

Рис. 2. Классификация ЭВМ по размерам и функциональным возможностям
суперЭВМ	многопроцессорные вычислительные машины быстродействием 100-10000 mips (mips – миллион операций в секунду)
Большие ЭВМ (Mainframe)	производительность не менее 10 MIPS; основную память емкостью от 64 до 10000 Мбайт; внешнюю память не менее 50 Гбайт; многопользовательский режим работы (обслуживают одновременно от 16 до 1000 пользователей).
Малые ЭВМ (мини-ЭВМ)	надежные, недорогие и удобные в эксплуатации компьютеры, обладающие несколько более низкими по сравнению с мэйнфреймами возможностями
Мини-ЭВМ (и наиболее мощные из них супермини ЭВМ) обладают	производительность - до 100 MIPS; емкость основной памяти - 4-512 Мбайт; емкость дисковой памяти - 2 - 100 Гбайт; число поддерживаемых пользователей - 16-512.

Изобретение в 1969 г. микропроцессора (МП) привело к появлению в 70-х гг, еще одного класса ЭВМ - микроЭВМ . Именно наличие МП служило первоначально определяющим признаком микроЭВМ. Сейчас микропроцессоры используются во всех без исключения классах ЭВМ.

Рис. 3 Классификация микроэвм

• Многопользовательские микроЭВМ - это мощные микроЭВМ, оборудованные несколькими видеотерминалами и функционирующие в режиме разделения времени, что позволяет эффективно работать на них сразу нескольким пользователям.

• Персональные компьютеры (ПК) - однопользовательские микроЭВМ, удовлетворяющие требованиям общедоступности и универсальности применения.

• Рабочие станции (work station) представляют собой однопользовательские мощные микроЭВМ, специализированные для выполнения определенного вида работ (графических, инженерных, издательских и др.).

• Серверы (server) - многопользовательские мощные микроЭВМ в вычислительных сетях, выделенные для обработки запросов от всех станций сети.

АРХИТЕКТУРА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА. НАЗНАЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПЬЮТЕРА

Компьютер — это многофункциональное электронное устройство, предназначенное для накопления, обработки и передачи информации.

Под архитектурой персонального компьютера понимается его логическая организация, структура и ресурсы, т. е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени.

магистрально-модульный принцип

Архитектура современных персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе.

Модульный принцип позволяет пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный принцип обмена информацией.

Все контроллеры устройств взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, называемую системной шиной. Системная шина выполняется в виде печатного мостика на материнской плате.

Рис.4. Блок-схема ПК

Внутренняя память (основная память + КЭШ-память)

Основная память (ПЗУ и ОЗУ) предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками компьютера.

ПЗУ служит для хранения BIOS (изменить информацию в ПЗУ нельзя). ПЗУ энергонезависимо. Настройки ПЗУ хранятся в CMOS.

Энергозависимая память CMOS - это микросхема, постоянно подпитывающаяся от небольшой аккумуляторной батарейки, расположенной на материнской плате. В микросхеме CMOS хранятся данные о гибких и жестких дисках, о процессоре, о некоторых других устройствах материнской платы. Также системные часы и календарь.

В результате, программы, записанные в BIOS, считывают данные о составе оборудования компьютера из микросхемы CMOS, после чего они могут выполнять обращение к жесткому диску, а в случае необходимости и к гибкому, и передать управление тем программам, которые там записаны.

ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке), В качестве недостатка ОЗУ следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость).

Внешняя память используется для долговременного хранения информации, которая может быть в дальнейшем использована для решения задач.

Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических символов, частота которых задает тактовую частоту компьютера. Промежуток времени между соседними импульсами определяет такт работы машины.

Источник питания — это блок, содержащий системы автономного и сетевого питания компьютера.

Таймер — это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие автоматический съем текущего момента времени. Таймер подключается к автономному источнику питания и при отключении компьютера от сети продолжает работать.

Адаптер (контроллер) - устройство для подключения внешних устройств и согласования их работы с процессором.

Когда контроллер вставляется в разъем на материнской плате, он подключается к шине и получает уникальный номер (адрес). После этого контроллер осуществляет наблюдение за сигналами, идущими по шине, и отвечает на сигналы, адресованные ему. Любая операция ввода-вывода предполагает диалог между ЦП и контроллером устройства. Когда процессору встречается команда, связанная с вводом-выводом, входящая в состав какой-либо программы, он выполняет ее, посылая сигналы контроллеру устройства.

Системная шина (магистраль)

обеспечивает сопряжение и связь всех устройств ПК между собой. Системная шина выполняется в виде печатного мостика на материнской плате.

Рис.5 Магистрально-модульное устройство ПК

Шина данных – данные передаются между разными устройствами.

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т.е. количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно за один такт работы.

Шина адреса.

Каждое устройство ПК, в т.ч. память имеют свой адрес. Адрес передается по адресной шине в одном направлении (от процессора к памяти и устройствам). Выбор устройства, которому передавать даны, выполняется процессором.

Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле

N=2I, где I- разрядность шины адреса

Шина управления передает сигналы, определяющие какие операции выполнять (считывать или записывать данные, синхронизировать устройства)

Шина питания имеет провода и схемы сопряжения для подключения устройств к энергопитанию.

Микропроцессор

— это центральный блок персонального компьютера, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

В состав микропроцессора входят следующие устройства.

Арифметико-логическое устройство (алу) предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.

Устройство управления (УУ) координирует взаимодействие различных частей компьютера. Выполняет следующие основные функции:

• формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполнения различных операций;

• формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера;

• получает от генератора тактовых импульсов опорную последовательность импульсов.

Микропроцессорная память (МПП, КЭШ) предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно в ближайшие такты работы машины..