Найти схему архитектуры персонального компьютера с пояснением. Что такое архитектура компьютера. Современные тенденции развития архитектуры персонального компьютера

Архитектура персонального компьютера (ПК) включает в себя структуру, которая отражает состав ПК, и программное обеспечение.

– это набор его функциональных элементов (от основных логических узлов до простейших схем) и связей между ними.

Архитектура определяет принципы действия , информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов ПК, к которым относят процессор, оперативное запоминающее устройство, внешние запоминающие устройства и периферийные устройства.

Основным принципом построения всех современных ПК является программное управление.

Классическая архитектура фон Неймана

В $1946$ году американские математики Джон фон Нейман , Герман Голдштейн и Артур Бёркс в совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. На основе этих принципов производилось $1$-е и $2$-е поколение компьютеров. В следующих поколениях происходили некоторые изменения, но принципы фон Неймана (как они были названы) сохранялись.

Основные принципы фон Неймана:

1. Использование двоичной системы счисления в ПК , в которой устройствам гораздо проще выполнять арифметико-логические операции, чем в десятичной.
2. Программное управление ПК . Работа ПК управляется программой, которая состоит из набора команд, выполняющихся последовательно одна за другой. Создание машины с хранимой в памяти программой положило начало программированию.
3. Данные и программы хранятся в памяти ПК . Команды и данные кодируются одинаково в двоичной системе.
4. Ячейки памяти ПК имеют последовательно пронумерованные адреса. Возможность обращения к любой ячейке памяти по ее адресу позволила использовать переменные в программировании.
5. Возможность условного перехода при выполнении программы. Команды в ПК выполняются последовательно, но при необходимости можно реализовать переход к любой части кода.

Основным принципом было то, что программа уже стала не постоянной частью машины, а изменяемой, в отличие от аппаратуры, которая остается неизменной и очень простой.

Фон Нейманом также была предложена структура ПК (рис. 1).

Рисунок 1. Структура ПК

В состав машины фон Неймана входили:

• запоминающее устройство (ЗУ);
• арифметико-логическое устройство (АЛУ), которое выполняло все арифметические и логические операции;
• устройство управления (УУ), которое координирует действия всех узлов машины в соответствии с программой;
• устройства ввода-вывода.

Программы и данные вводились в ЗУ из устройства ввода через АЛУ. Все команды программы записывались в ячейки памяти последовательно, а данные для обработки – в произвольные ячейки.

Команда состояла из указания операции, которую необходимо выполнить, и адресов ячеек памяти, в которых хранятся данные и над которыми необходимо выполнить нужную операцию, а также адреса ячейки, в которую необходимо записать результат (для хранения в ЗУ).

Из АЛУ результаты выводятся в ЗУ или устройство вывода. Принципиально эти устройства отличаются тем, что в ЗУ данные хранятся в удобном для обработки ПК виде, а на устройства вывода (монитор, принтер и т.п.) в удобном для человека.

От УУ на другие устройства поступают сигналы с командами, а от других устройств УУ получает информацию о результате их выполнения.

В УУ содержится специальный регистр (ячейка) – счетчик команд , в который записывается адрес первой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое соответствующей ячейки памяти и помещает его в специальное устройство – регистр команд . УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.

После выполнения команды счетчик команд увеличивается на $1$ и указывает на следующую команду программы. При необходимости выполнения команды, которая не следует по порядку за текущей, специальная команда перехода содержит адрес ячейки, в которую нужно передать управление.

Архитектура современных ПК

В основу архитектуры современных ПК заложен магистрально-модульный принцип . ПК состоит из отдельных частей – модулей, которые являются относительно самостоятельными устройствами ПК (напрмер, процессор, оперативная память, контроллер, дисплей, принтер, сканер и т.д.).

Модульный принцип позволяет пользователю самостоятельно комплектовать необходимую конфигурацию ПК и производить при необходимости его обновление. Модульная организация системы опирается на магистральный принцип обмена информацией. Для работы ПК как единого механизма необходимо осуществлять обмен данными между различными устройствами, за что отвечает системная (магистральная) шина , которая выполняется в виде печатного мостика на материнской плате.

Основные особенности архитектуры ПК сводятся к принципам компоновки аппаратуры, а также к выбранному набору системных аппаратных средств.

Подобная архитектура характеризуется ее открытостью – возможностью включения в ПК дополнительных устройств (системных и периферийных), а также возможностью простого встраивания программ пользователя на любом уровне программного обеспечения ПК.

Замечание 1

Также совершенствование архитектуры ПК связано с максимальным ускорением обмена информацией с системной памятью. Именно из системной памяти, в которой хранятся данные, ПК считывает все исполняемые команды. Таким образом больше всего обращений центральный процессор совершает к памяти и ускорение обмена с памятью приведет к существенному ускорению работы всей системы в целом.

Т.к. при использовании системной магистрали для обмена процессора с памятью приходится учитывать скоростные ограничения самой магистрали, то существенного ускорения обмена данными с помощью магистрали добиться невозможно.

Для решения этого вопроса был предложен следующий подход. Системная память вместо системной магистрали подключается к специальной высокоскоростной шине, которая дистанционно находится ближе к процессору и не требует сложных буферов и больших расстояний. В этом случае обмен с памятью идет с максимально возможной для процессора скоростью, и системная магистраль не замедляет его. Особенно актуальным это решение стало с ростом быстродействия процессора.

Таким образом, структура ПК из одношинной, которая применялась только в первых компьютерах, становится трехшинной .

Рисунок 2. Трехшинная структура ПК

АЛУ и УУ в современных ПК образуют процессор. Процессор, который состоит из одной или нескольких больших интегральных схем, называется микропроцессором или микропроцессорным комплектом.

Многопроцессорная архитектура ПК

Наличие в ПК нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и команд , т.е. одновременно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи.

Рисунок 3. Архитектура многопроцессорного ПК

Многомашинная вычислительная система

В архитектуре многомашинной вычислительной системы каждый процессор имеет свою оперативную память. Применение многомашинной вычислительной системы эффективно при решении задач, которые имеют очень специальную структуру, которая должна состоять из такого количества ПК, на сколько слабо связанных подзадач разбита система.

Многопроцессорные и многомашинные вычислительные системы имеют преимущество перед однопроцессорными в быстродействии.

Архитектура с параллельными процессорами

В данной архитектуре несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе, т. е. 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.

Рисунок 4. Архитектура с параллельным процессором

В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений. Существуют и другие архитектурные решения, отличные от рассмотренных выше.

Несмотря на то что современные модели компьютеров представлены на рынке широким спектром брендов, собраны они в рамках небольшого количества архитектур. С чем это связано? Какова специфика архитектуры современных ПК? Какие программные и аппаратные компоненты ее формируют?

Определение архитектуры

Что такое архитектура ПК? Под этим довольно широким термином принято понимать совокупность логических принципов сборки компьютерной системы, а также отличительные особенности технологических решений, внедряемых в нее. Архитектура ПК может быть инструментом стандартизации. То есть компьютеры в рамках нее могут собираться согласно установленным схемам и технологическим подходам. Объединение тех или иных концепций в единую архитектуру облегчает продвижение модели ПК на рынке, позволяет создавать программы, разработанные разными брендами, но гарантированно подходящие для нее. Единая архитектура ПК также позволяет производителям компьютерной техники активно взаимодействовать на предмет совершенствования тех или иных технологических компонентов ПК.

Под рассматриваемым термином может пониматься совокупность подходов к сборке компьютеров или отдельных его компонентов, принятых на уровне конкретного бренда. В этом смысле архитектура, которая разработана производителем, является его интеллектуальной собственностью и используется только им, может выступать конкурентным инструментом на рынке. Но даже в таком случае решения от разных брендов иногда могут быть классифицированы в рамках общей концепции, объединяющей в себе ключевые критерии, которые характеризуют компьютеры различных моделей.

Термин «архитектура ПК» информатика как отрасль знаний может понимать по-разному. Первый вариант трактовки предполагает интерпретацию рассматриваемого понятия как стандартизирующего критерия. В соответствии с другой интерпретацией архитектура — это, скорее, категория, позволяющая одному бренду-производителю стать конкурентным в отношении других.

Интереснейший аспект — то, как соотносятся история и архитектура ПК. В частности, это появление классической логической схемы конструирования компьютеров. Рассмотрим ее особенности.

Классическая архитектура компьютера

Ключевые принципы, в соответствии с которыми предполагалось конструирование ПК по определенной логической схеме, предложил Джон фон Нейман, выдающийся математик. Его идеи были реализованы производителями ПК, относящихся к первым двум поколениям. Концепция, разработанная Джоном фон Нейманом, — это классическая архитектура ПК. Каковы ее особенности? Предполагается, что компьютер должен состоять из следующих основных компонентов:

Арифметического и логического блока;

Устройства для управления;

Блока внешней памяти;

Блока оперативной памяти;

Устройств, предназначенных для ввода и вывода информации.

В рамках данной схемы взаимодействие технологических компонентов должно реализовываться по конкретной последовательности. Так, сначала в память ПК попадают данные из компьютерной программы, которые могут вводиться с помощью внешнего устройства. Затем устройство для управления считывает информацию из памяти компьютера, после чего направляет ее на выполнение. В этом процессе при необходимости задействуются остальные компоненты ПК.

Архитектура современных компьютеров

Рассмотрим, каковы основные особенности архитектуры современных ПК. Она несколько отличается от концепции, которую мы изучили выше, но во многом продолжает ее. Ключевая особенность ПК новейших поколений — арифметический, логический блок, а также то, что устройства для управления объединены в единый технологический компонент — процессор. Во многом это стало возможным благодаря появлению микросхем и дальнейшему их совершенствованию, что позволило уместить в сравнительно небольшой детали компьютера широкий спектр функций.

Архитектура современного ПК также характеризуется тем, что в ней присутствуют контроллеры. Они появились как результат пересмотра концепции, в рамках которой процессор должен был выполнять функцию обмена данными с внешними устройствами. Благодаря возможностям появившихся интегральных схем соответствующий функциональный компонент производители ПК решили отделить от процессора. Так появились различные каналы обмена, а также периферийные микросхемы, которые затем начали называться контроллерами. Соответствующие аппаратные компоненты на современных ПК могут, например, управлять работой дисков.

Устройство и архитектура ПК современных образцов предполагают использование шины. Основное ее назначение — обеспечение коммуникаций между различными аппаратными элементами компьютера. Ее структура может предполагать наличие специализированных модулей, отвечающих за ту или иную функцию.

Архитектура IBM

Компанией IBM была разработана архитектура ПК, ставшая фактически одним из мировых стандартов. Ее отличительная особенность — в открытости. То есть компьютер в рамках нее перестает быть готовым продуктом от бренда. Компания IBM — не монополист рынка, хотя один из его первопроходцев в аспекте разработки соответствующей архитектуры.

Пользователь или компания, собирающие ПК на платформе IBM, могут самостоятельно определять то, какие компоненты будут включены в структуру компьютера. Также возможна замена того или иного электронного компонента на более совершенный. Стремительное развитие компьютерных технологий позволило реализовать принцип открытой архитектуры ПК.

Особенности ПО для компьютеров архитектуры IBM

Важный критерий отнесения ПК к платформе IBM — его совместимость с разными операционными системами. И в этом также прослеживается открытость рассматриваемого типа архитектуры. Компьютеры, относящиеся к IBM-платформе, могут управляться ОС Windows, Linux в большом количестве модификаций, а также иными операционными системами, которые совместимы с аппаратными компонентами ПК рассматриваемой архитектуры. Не считая ПО от крупных брендов, на IBM-платформу можно устанавливать различные авторские программные продукты, выпуск и инсталляция которых обычно не требуют согласования с фирмами-производителями аппаратных элементов.

В числе программных компонентов, которые есть практически в любом компьютере на платформе IBM, базовая система ввода и вывода, называемая также BIOS. Она призвана обеспечивать выполнение основных аппаратных функций ПК вне зависимости от того, какого типа операционная система на нем установлена. И это еще один, по сути, признак открытости архитектуры, о которой идет речь: производители BIOS толерантны к производителям ОС и любого другого ПО. Собственно, тот факт, что BIOS может выпускаться разными брендами — это также критерий открытости. Функционально системы BIOS от разных разработчиков близки.

Если на компьютере не установлена BIOS, то его работа практически невозможна. Не имеет значения, инсталлирована ли на ПК операционная система — необходимо обеспечение взаимодействия между аппаратными компонентами компьютера, и его возможно реализовать только с помощью BIOS. Переустановка BIOS на компьютере требует специальных программно-аппаратных инструментов, в отличие от инсталляции ОС или иного вида ПО, работающего в ней. Данная особенность BIOS предопределяется тем, что ее необходимо защищать от компьютерных вирусов.

С помощью BIOS пользователь может управлять аппаратными компонентами ПК, выставляя те или иные настройки. И это также один из аспектов открытости платформы. В некоторых случаях работа с соответствующими настройкам позволяет обеспечить заметное ускорение работы ПК, более стабильное функционирование отдельных его аппаратных компонентов.

Система BIOS во многих ПК дополнена оболочкой UEFI, как считают многие IT-специалисты, это достаточно полезное и функциональное программное решение. Но базовое назначение UEFI принципиально не отличается от того, что характерно для BIOS. Собственно, это такая же система, но интерфейс в ней несколько ближе к тому, что характерен для операционной системы ПК.

Важнейший вид ПО для компьютеров — драйвер. Он необходим для того, чтобы аппаратный компонент, инсталлируемый в компьютер, корректно функционировал. Драйверы обычно выпускаются производителями компьютерных устройств. При этом соответствующий вид ПО, совместимый с одной операционной системой, например Windows, обычно не подходит для других ОС. Поэтому пользователю часто приходится подбирать драйверы, совместимые с конкретными типами программного обеспечения компьютера. В этом смысле IBM-платформа недостаточно стандартизована. Может получиться так, что устройство, прекрасно работающее под ОС Windows, будет невозможно запустить под Linux из-за того, что пользователь не сможет найти нужный драйвер, или же по причине того, что производитель аппаратного компонента попросту не успел выпустить нужный вид программного обеспечения.

Важно, чтобы решение, которое предполагается включить в структуру компьютера, было совместимо не только с конкретной архитектурой, но также и иными технологическими элементами ПК. Какие компоненты можно менять в современных ПК? В числе ключевых: материнская плата, процессор, оперативная память, видеокарта, жесткие диски. Рассмотрим специфику каждого из компонентов подробнее, определим, от чего зависит их совместимость с иными аппаратными элементами, а также выясним, каким образом наиболее корректно можно реализовать принцип открытой архитектуры ПК на практике.

Материнская плата

Один из ключевых компонентов современного компьютера — материнская, или системная, плата. На ней располагаются контроллеры, шины, мосты и иные элементы, позволяющие объединять между собой различные аппаратные компоненты. Благодаря ей фактически реализуется современная архитектура ПК. Системная плата позволяет эффективно распределить функции компьютера по различным устройствам. Данный компонент размещает на себе большинство остальных, а именно процессор, видеокарту, оперативную память, жесткие диски и т. д. BIOS, важнейший программный компонент ПК, в большинстве случаев прописывается в одной из микросхем материнской платы. Важно, чтобы соответствующие элементы не были повреждены.

Заменяя материнскую плату или выбирая нужную модель в процессе сборки ПК, необходимо удостовериться, что новая ее модель будет совместима с иными аппаратными компонентами. Так, есть платы, поддерживающие процессоры Intel, а есть те, на которые можно устанавливать только микросхемы от AMD. Очень важно убедиться в том, что новая плата поддерживает существующие модули памяти. Что касается видеокарты и жестких дисков, обычно никаких проблем не возникает в силу достаточного высокого уровня стандартизации на соответствующих рынках. Но нежелательно, чтобы новая материнская плата и указанные компоненты слишком сильно различались по уровню технологичности. Иначе менее производительный элемент будет тормозить всю систему.

Процессор

Главная микросхема современного компьютера — процессор. Открытая архитектура ПК позволяет по усмотрению пользователя устанавливать на компьютер более мощный, производительный, технологичный процессор. Однако подобная возможность может предполагать ряд ограничений. Так, заменить процессор Intel на AMD без замены другого компонента — материнской платы - в общем случае невозможно. Также проблематична установка одной микросхемы вместо другой того же бренда, но которая принадлежит к иного типа технологической линейке.

Устанавливая более мощный процессор на ПК, необходимо убедиться, что оперативная память, жесткие диски и видеокарта не сильно отстают от него технологически. Иначе, как мы уже отметили выше, замена микросхемы может не принести ожидаемого результата — компьютер не будет работать быстрее. Основные показатели производительности процессора — тактовая частота, количество ядер, величина кэш-памяти. Чем они больше, тем быстрее работает микросхема.

Оперативная память

Данный компонент также непосредственным образом влияет на производительность ПК. Основные функции ОЗУ в целом те же, что были характерны для компьютеров первых поколений. В этом смысле оперативная память - классический аппаратный компонент. Однако тем самым подчеркивается ее важность: до сих пор производители ПК не придумали ей достойной альтернативы.

Основной критерий производительности памяти — это ее объем. Чем он больше, тем быстрее работает компьютер. Также модули ПК обладают тактовой частотой, как и процессор. Чем она выше, тем более производителен компьютер. Замену ОЗУ следует осуществлять, убедившись, что новые модули совместимы с материнской платой.

Видеокарта

Принципы архитектуры ПК первых серий не предполагали выделения видеокарты в отдельный компонент. То есть данное аппаратное решение — это также один из критериев отнесения компьютера к современным поколениям. Видеокарта отвечает за обработку компьютерной графики — одного из наиболее сложных типов данных, требующих высокой производительности микросхем.

Заменять данный аппаратный компонент следует, соотнося основные его характеристики с мощностью и уровнем технологичности процессора, памяти и материнской платы. Закономерность здесь та же, что мы отметили выше: нежелательно, чтобы соответствующие элементы ПК сильно различались по уровню производительности. Для видеокарты ключевые критерии — это объем встроенной памяти, а также тактовая частота основной ее микросхемы.

Бывает, что модуль, отвечающий за обработку компьютерной графики, встроен в процессор. И это нельзя считать признаком того, что компьютер устаревший, наоборот, подобная схема наблюдается на многих современных ПК. Наибольшую популярность данная концепция приобретает в среде производителей ноутбуков. Это вполне логично: брендам необходимо обеспечивать компактность такого типа компьютеров. Видеокарта — это довольно объемный аппаратный компонент, ее размер чаще всего заметно больше процессора или модуля памяти.

Жесткие диски

Жесткий диск — это также классический компонент компьютера. Относится к категории постоянных запоминающих устройств. Типичен для архитектуры современных ПК. На жестких дисках часто хранится основной объем файлов. Можно отметить, что данный компонент в числе наименее требовательных к специфике материнской платы, процессора, ОЗУ и видеокарты. Но опять же, если жесткий диск характеризуется низкой производительностью, то есть вероятность, что работа компьютера будет медленной, даже если на нем будут установлены иные аппаратные компоненты, относящиеся к самым технологичным.

Основной критерий производительности дисков — скорость оборотов. Важен также и объем, но значимость этого параметра зависит от потребностей пользователя. Если на компьютере установлен небольшой по вместительности жесткий диск с очень высокими оборотами, то ПК будет работать быстрее, чем при высокой емкости и низкой скорости вращения соответствующих элементов устройства.

Материнская плата, процессор, ОЗУ, а также видеокарта — внутренние компоненты ПК. Жесткий диск может быть как внутренним, так и внешним, и в этом случае чаще всего съемным. Основные аналоги жесткого диска - флешки, карты памяти. В ряде случаев они могут полностью его заменить, но по возможности рекомендуется все же оснащать ПК хотя бы одним жестким диском.

Понятие архитектуры ПК открытого типа, конечно же, не ограничивается возможностью замены и выбора указанных пяти компонентов. Есть очень много устройств иного назначения, которые входят в состав компьютера. Это приводы DVD и Blue-ray, звуковые карты, принтеры, сканеры, модемы, сетевые карты, вентиляторы. Набор соответствующих компонентов может предопределять конкретная брендированная архитектура ПК. Системная плата, процессор, ОЗУ, видеокарта и жесткий диск — элементы, без которых современный ПК работать не сможет или его функционирование будет крайне затруднено. Они же главным образом определяют скорость работы. И потому, обеспечив установку на компьютере технологичных и современных компонентов соответствующего типа, пользователь сможет собрать высокопроизводительный и мощный ПК.

Компьютеры Apple

Какие еще есть типы архитектур ПК? В числе тех, которые составляют прямую конкуренцию архитектуре IBM, совсем немного. Например, это компьютеры Macintosh от Apple. Конечно, по многим критериям они схожи с архитектурой IBM — в них также есть процессор, память, видеокарта, материнская плата и жесткие диски.

Однако компьютеры от Apple характеризуются тем, что их платформа закрыта. Пользователь весьма ограничен в установке на ПК компонентов по своему усмотрению. Apple — это единственный бренд, который может легально выпускать компьютеры в соответствующей архитектуре. Аналогично Apple — единственный поставщик функциональных операционных систем, выпускаемых в рамках собственной платформы. Таким образом, те или иные виды архитектуры ПК могут различаться не столько аппаратными составляющими компьютера, сколько подходами брендов-производителей к выпуску соответствующих решений. В зависимости от собственной стратегии развития компания может делать акцент на открытости или же закрытости платформы.

Итак, основные особенности архитектуры современных ПК на примере IBM-платформы: отсутствие монопольного бренда-производителя компьютеров, открытость. Причем как в программном, так и в аппаратном аспекте. Что касается главного конкурента IBM-платформы, компании Apple, основные признаки ПК соответствующей архитектуры — это закрытость, а также выпуск компьютеров единственным брендом.

В основу строения подавляющего большинства компьютеров положены общие принципы, которые были сформулированы в 1945 году. Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей общей статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В следствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. Основные тезисы этих принципов изложены ниже:

• Использование двоичной системы исчисления в вычислительных машинах.
• Программное управление ЭВМ.
• Выборка программы по памяти осуществляется с помощью счетчика команд.
• Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ.
• Принцип адресности: элементы памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы.
• Возможность условного перехода в процессе выполнения программы.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, которые принципиально отличаются от последних. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, то есть они могут работать без “счетчика команд”, который указывает текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-нибудь переменной, что хранится в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

3.2 Принцип работы машины фон Неймана

Машина фон Неймана - устройство, которое состоит из запоминающего устройства (памяти) ‒ ЗУ, арифметико-логического устройства ‒ АЛУ, устройства управления – УУ, а также устройств ввода и вывода (рис. 3.1).

Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние элементы памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных каморках. В любой программе последняя команда должна быть командой завершения работы.

Рисунок 3.1 – Схема машины фон Неймана

Команда состоит из указания, какую операцию нужно выполнить (из возможных операций на данном «железе») и адресов элементов памяти, где хранятся данные, над которыми нужно выполнить указанную операцию, а также адреса ячеек, куда нужно записать результат (если его нужно сохранить в ЗУ).

Арифметико-логическое устройство выполняет указанные командами операции над указанными данными.

Из арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное отличие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройстве вывода (принтер, монитор и др.) поступают так, как удобно человеку.

УУ руководит всеми частями компьютера. От устройства, которое управляет, на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии.

Устройство, которое управляет, содержит специальный регистр, который называется «Счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. УУ прочитывает из памяти содержимое элемента памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство – «Регистр команд». УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.

3.3 Архитектура и структура ПК

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, который включает описание предназначенных для пользователя возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и так далее. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

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

Наиболее распространенными есть такие архитектурные решения (рис. 3.2):

Рисунок 3.2 – Существующие типы архитектур компьютеров

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.

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

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, которая имеет общую оперативную память и несколько процессоров, представленная на рис.3.2.

Многомашинная вычислительная система -несколько процессоров, которые входят в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется довольно широко. Однако эффект от употребления такой вычислительной системы может быть получен лишь при решении задач, которые имеют очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе. Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.

Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это значит, что множество данных может обрабатываться одной программой – то есть по одним потоком команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить лишь на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на разных однотипных наборах данных.

3.4 Строение компьютера

Персональным компьютером (ПК) называют сравнительно недорогой универсальный микрокомпьютер, рассчитанный на одного пользователя. Персональные компьютеры по обыкновению проецируются на основе принципа открытой архитектуры.

Принцип открытой архитектуры состоит в следующем:

• регламентируются и стандартизируются лишь описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер можно собрать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-производителями;
• компьютер легко расширяется и модернизируется за счет наличия внутренних расширяющих гнезд, в которые пользователь может вставлять всяческие устройства, которые удовлетворяют заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины согласно своим личным преимуществам.

Упрощенная блок-схема, которая отображает основные функциональные компоненты компьютерной системы в их взаимосвязи, представлена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 – Общая структура персонального компьютера

Интерфейс – это средство согласования двух приборов, в которых все физические и логические параметры соглашаются между собой.

Если интерфейс есть общепринятым, например, утвержденным на уровне международных соглашений, то он называется стандартным. Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связанный с шиной определенного типа – адресной, управляющей или шиной данных. Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не непосредственно, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты приблизительно по такой схеме (рис. 3.4):

Рисунок 3.4 – Схема подключения прибора к шины

Контролерами и адаптерами являются наборы электронных цепей, которыми обеспечиваются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контролеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

Портами называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы). Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами – побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно

МИНИСТЕРСТВО ОБЪЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНАГО ОБРОЗОВАНИЯ

СВЕРДЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Государственное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

Свердловской области

«Нижнетагильский техникум

металлообрабатывающих производств и сервиса»

РЕФЕРАТ

по учебной дисциплине «Информатика»

на тему:

Архитектура персонального компьютера

Руководители:

преподаватели информатики высшей категории

Бушухина О. В.

Канаева С. М.

Выполнил:

Студент группы №402

Специальность 140613

Чернявский Илья Игоревич

Нижний Тагил 2010

Введение…………………………………………………………………………..
1. Компьютер и их виды………..………………………………………………
2. Внешняя архитектура ПК…………………………………………………..
3. Внутренняя архитектура ПК………………………………………………..
Заключение ……………………………………………………………………….
Список использованной литературы……………………………………………
Приложение……………………………………………………………………….

ВВЕДЕНИЕ

Архитектура компьютера — логическая организация и структура аппаратных и программных ресурсов вычислительной системы. Архитектура заключает в себе требования к функциональности и принципы организации основных узлов ЭВМ.

В настоящее время наибольшее распространение в ЭВМ получили 2 типа архитектуры: принстонская (фон Неймана) и гарвардская. Обе они выделяют 2 основных узла ЭВМ: центральный процессор и память компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных.

В более подробное описание, определяющее конкретную архитектуру, также входят: структурная схема ЭВМ, средства и способы доступа к элементам этой структурной схемы, организация и разрядность интерфейсов ЭВМ, набор и доступность регистров, организация памяти и способы её адресации, набор и формат машинных команд процессора, способы представления и форматы данных, правила обработки прерываний.

По перечисленным признакам и их сочетаниям среди архитектур выделяют:

По разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-, 86-разрядные (ряд ЭВМ имеет и иные разрядности);

По особенностям набора регистров, формата команд и данных: CISC, RISC, VLIW;

По количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные.

1. КОМПЬЮТЕР И ИХ ВИДЫ

Компьютер (англ. computer — «вычислитель»), (рис.1) — электронная вычислительная машина (ЭВМ) — вычислительная машина, предназначенная для передачи, хранения и обработки информации.

Термин «компьютер» и аббревиатура «ЭВМ», принятая в СССР, являются синонимами. В настоящее время словосочетание «электронная вычислительная машина» вытеснено из бытового употребления. Аббревиатуру «ЭВМ» в основном используют как правовой термин в юридических документах, а также в историческом смысле — для обозначения компьютерной техники 1940-80-х годов. Также «ЦВМ» - «цифровая вычислительная машина».

При помощи вычислений компьютер способен обрабатывать информацию по определённому алгоритму. Любая задача для компьютера является последовательностью вычислений.

Персональный компьютер (англ. personal computer), персональная ЭВМ— компьютер, предназначенный для личного использования, цена, размеры и возможности которого удовлетворяют запросам большого количества людей. Созданный как вычислительная машина, компьютер, тем не менее, всё чаще используется как инструмент доступа в компьютерные сети.

В употребление термин был введён в конце 1970-х годов компанией Apple Computer для своего компьютера Apple II и впоследствии перенесён на компьютеры IBM PC. Некоторое время персональным компьютером называли любую машину, использующую процессоры Intel и работающую под управлением операционных систем DOS, OS/2 и первых версий Microsoft Windows. С появлением других процессоров, поддерживающих работу перечисленных программ, таких, как AMD, Cyrix (ныне VIA), название стало иметь более широкую трактовку. Курьёзным фактом стало противопоставление «персональным компьютерам» вычислительных машин Amiga и Macintosh, долгое время использовавших альтернативную компьютерную архитектуру.

В настоящее время существует несколько видов персональных компьютеров, самые распространенные из них — так называемые IBM-совместимые и серии Macintosh, или Мае. Компьютеры Мае имеют свое программное обеспечение и стандарты для устройств, поэтому несовместимы с IBM-компьютерами. В силу большого распространения IBM-совместимых компьютеров обычно именно их и имеют в виду, говоря о персональных компьютерах, а то и просто компьютерах. В нашей книге речь пойдет именно о IBM-совместимых, которые, как и на практике, будут называться «компьютер» или «персональный компьютер». Другие виды компьютеров рассматриваться не будут, так как они требуют отдельного описания. Кроме этого, персональные компьютеры подразделяются на стационарные и переносные (к примеру, ноутбуки). В отличие от стационарных, переносные компьютеры имеют встроенную аккумуляторную батарею для работы в автономном режиме. Теперь рассмотрим основные составные части персонального компьютера: системный блок; дисплей; клавиатура; мышь с ковриком; колонки. Кроме того, могут быть другие, менее часто встречающиеся внешние устройства, такие как сканер, внешний модем, внешние жесткие диски, плоттер и пр.

Устройства персонального компьютера подразделяются на внутренние, находящиеся внутри системного блока, и внешние, подключаемые к системному блоку через информационные кабели (или передаваемые необходимые данные, например с помощью инфракрасного излучения).

Ноутбук (англ. notebook — блокнот, блокнотный ПК) — портативный персональный компьютер, в корпусе которого объединены типичные компоненты ПК, включая дисплей, клавиатуру и устройство указания (обычно сенсорная панель или тачпад), а также аккумуляторные батареи. Ноутбуки отличаются небольшими размерами и весом, время автономной работы ноутбуков изменяется в пределах от 1 до 15 часов.

Компьютер, который может работать со звуком, имеет колонки для воспроизведения музыки. Как правило, их две для обеспечения стереозвучания. Кроме того, дополнительно в комплект персонального компьютера могут быть включены другие внешние устройства — сканер, плоттер, джойстик, внешний жесткий диск и др. Однако указанная комплектация является базовой, позволяющей выполнять стандартные наборы программ, называемых пакетами, как, например, Microsoft Office, и решать некоторые прикладные задачи, в частности мультимедиа — работу со звуком и изображением. История появления персональных компьютеров. Прообразы компьютеров. Можно сказать, что история компьютеров берет начало со дня появления обыкновенных счетов, которые на долгие века оставались почти единственным видом вычислительной техники. Кое-какие новые идеи начали появляться в XVI веке. Именно тогда испанский монах Раймунд Луллит выдвинул идею логической машины, однако конкретная реализация вычислительных устройств началась лишь в середине прошлого века. Первая простая машина для сложения и вычитания шестиразрядных чисел была создана астрономом Уильямом Шикардом в 1623 году. При помощи специальных счетов можно было производить операции умножения, а если результат превышал возможности машины, то звонил специальный колокольчик.

2. ВНЕШНЯЯ АРХИТЕКТУРА ПК

Системный блок (сленг. системник, корпус),(рис.2) — функциональный элемент, защищающий внутренние компоненты ПК от внешнего воздействия и механических повреждений, поддерживающий необходимый температурный режим внутри системного блока, экранирующий создаваемые внутренними компонентами электромагнитное излучение и является основой для дальнейшего расширения системы. Системные блоки чаще всего изготавливаются из деталей на основе стали, алюминия и пластика, также иногда используются такие материалы, как древесина или органическое стекло.

В системном блоке расположены:

Материнская плата с установленным на ней процессором, ОЗУ, картами расширения (видеоадаптер, звуковая карта).

Отсеки для накопителей —жёстких дисков, дисководов CD-ROM и др

Монитор, дисплей (Рис.3) — универсальное устройство визуального отображения всех видов информации. Различают алфавитно-цифровые и графические мониторы, а также монохромные мониторы и мониторы цветного изображения — активно-матричные и пассивно-матричные ЖКМ.

По строению:

ЭЛТ — на основе электронно-лучевой трубки (англ. cathode ray tube, CRT)

ЖК — жидкокристаллические мониторы (англ. liquid crystal display, LCD)

Плазменный — на основе плазменной панели

Проекционный — видеопроектор и экран, размещённые отдельно или объединённые в одном корпусе (как вариант — через зеркало или систему зеркал)

OLED-монитор — на технологии OLED (англ. organic light-emitting diode — органический светоизлучающий диод).

Клавиатура компьютера, (Рис.4) — одно из основных устройств ввода информации от пользователя в компьютер. Стандартная компьютерная клавиатура, также называемая клавиатурой PC/AT или AT-клавиатурой (поскольку она начала поставляться вместе с компьютерами серии IBM PC/AT), имеет 101 или 102 клавиши. Клавиатуры, которые поставлялись вместе с предыдущими сериями — IBM PC и IBM PC/XT, — имели 86 клавиш.[источник не указан 155 дней] Расположение клавиш на AT-клавиатуре подчиняется единой общепринятой схеме, спроектированной в расчёте на английский алфавит.

По своему назначению клавиши на клавиатуре делятся на шесть групп:

функциональные;

алфавитно-цифровые;

управления курсором;

цифровая панель;

специализированные;

модификаторы.

Двенадцать функциональных клавиш расположены в самом верхнем ряду клавиатуры. Ниже располагается блок алфавитно-цифровых клавиш. Правее этого блока находятся клавиши управления курсором, а с самого правого края клавиатуры — цифровая панель.

Манипулятор «мышь» (в обиходе просто «мышь» или «мышка»), (Рис.5) — одно из указательных устройств ввода, обеспечивающих интерфейс пользователя с компьютером.

Принтер (англ. printer — печатник), (Рис.6) — устройство печати цифровой информации на твёрдый носитель, обычно на бумагу. Относится к терминальным устройствам компьютера.

Процесс печати называется вывод на печать, а получившийся документ — распечатка или твёрдая копия.

Принтеры бывают струйные, лазерные, матричные и сублимационные, а по цвету печати — чёрно-белые (монохромные) и цветные. Иногда из лазерных принтеров выделяют в отдельный вид светодиодные принтеры.

Монохромные принтеры имеют несколько градаций, обычно 2—5, например: чёрный — белый, одноцветный (или красный, или синий, или зелёный) — белый, многоцветный (чёрный, красный, синий, зелёный) — белый.

Монохромные принтеры имеют свою собственную нишу и вряд ли (в обозримом будущем) будут полностью вытеснены цветными.

Сканер (англ. scanner), (Рис.7) — устройство, которое, анализируя какой-либо объект (обычно изображение, текст), создаёт цифровую копию изображения объекта. Процесс получения этой копии называется сканированием. В большинстве сканеров для преобразования изображения в цифровую форму применяются светочувствительные элементы на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) (англ. Charge-Coupled Device, CCD).

По способу перемещения считывающей головки и изображения относительно друг друга сканеры подразделяются на ручные (англ. Handheld), рулонные (англ. Sheet-Feed), планшетные (англ. Flatbed) и проекционные. Разновидностью проекционных сканеров являются слайдсканеры, предназначенные для сканирования фотопленок. В высококачественной полиграфии используются барабанные сканеры, в которых в качестве светочувствительного элемента используется фотоэлектронный умножитель (ФЭУ).

Принцип работы однопроходного планшетного сканера состоит в том, что вдоль сканируемого изображения, расположенного на прозрачном неподвижном стекле, движется сканирующая каретка с источником света. Отраженный свет через оптическую систему сканера (состоящую из объектива и зеркал или призмы) попадает на три расположенных параллельно друг другу фоточувствительных полупроводниковых элемента на основе ПЗС, каждый из которых принимает информацию о компонентах изображения.

Акустическая система , (Рис.8) — устройство для воспроизведения звука.

Акустическая система бывает однополосной (один широкополосный излучатель, например, динамическая головка) и многополосной (две и более головок, каждая из которых создаёт звуковое давление в своей частотной полосе). Акустическая система состоит из акустического оформления (например, «закрытый ящик» или «система с фазоинвертором» и др.) и вмонтированных в него излучающих головок (обычно динамических).

Однополосные системы не получили широкого распространения ввиду трудностей создания излучателя, одинаково хорошо воспроизводящего сигналы разных частот. Высокие интермодуляционные искажения при значительном ходе одного излучателя вызваны эффектом Доплера.

В многополосных акустических системах спектр слышимых человеком звуковых частот разбивается на несколько перекрываемых между собой диапазонов посредством фильтров (комбинации резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, или с помощью цифрового кроссовера). Каждый диапазон подаётся на свою динамическую головку, которая имеет наилучшие характеристики в этом диапазоне. Таким образом достигается наиболее высококачественное воспроизведение слышимых человеком звуковых частот (20—20 000 Гц).

3. ВНУТРЕНЯЯ АРХИТЕКТУРА ПК

Внутренняя архитектура современного персонального компьютера определяется схемой его чипсета, которую можно найти на сайтах производителей — Intel и AMD.

Чипсет (англ. chip set), (Рис.9) — набор микросхем, спроектированных для совместной работы с целью выполнения набора каких-либо функций. Так, в компьютерах чипсет выполняет роль связующего компонента, обеспечивающего совместное функционирование подсистем памяти, ЦПУ, ввода-вывода и других. Чипсеты встречаются и в других устройствах, например, в радиоблоках сотовых телефонов.

Раньше компьютер имел до 2-х сотен микросхем на материнской плате. Современные компьютеры содержат две основные большие микросхемы чипсета:

контроллер-концентратор памяти (MCH) или северный мост(англ. North Bridge), который обеспечивает работу процессора с памятью и с видеоподсистемой. Северный мост (системный контроллер), также известен как контроллер-концентратор памяти от англ. Memory Controller Hub (MCH) — один из основных элементов чипсета компьютера, отвечающий за работу с процессором, памятью и видеоадаптером. Северный мост определяет частоту системной шины, возможный тип оперативной памяти (в системах на базе процессоров Intel) (SDRAM, DDR, другие), её максимальный объем и скорость обмена информацией с процессором. Кроме того, от северного моста зависит наличие шины видеоадаптера, её тип и быстродействие. Для компьютерных систем нижнего ценового уровня в северный мост нередко встраивают и графическое ядро. Во многих случаях именно северный мост определяет тип и быстродействие шины расширения системы (PCI, PCI Express, другое);

контроллер-концентратор ввода-вывода (ICH) или южный мост (англ. South Bridge), обеспечивающий работу с внешними устройствами. Южный мост (функциональный контроллер), также известен как контроллер-концентратор ввода-вывода от англ. I/O Controller Hub (ICH). Это микросхема, которая реализует «медленные» взаимодействия на материнской плате между чипсетом материнской платы и её компонентами. Южный мост обычно не подключён напрямую к центральному процессору (ЦПУ), в отличие от северного моста. Северный мост связывает южный мост с ЦПУ.

Выбор типа чипсета зависит от процессора, с которым он работает, и определяет разновидности внешних устройств (видеокарты, винчестера и др.).

В характеристиках каждого процессора можно найти, с какими чипсетами он может работать.

Однако не так давно были разработаны и появились в продаже чипсеты нового поколения Intel 3 Series (G31, G33, G35, P35, X35) и материнские платы на их основе. Помимо поддержки двух- и четырёхъядерных процессоров Intel Core 2 Duo и Core 2 Quad новые чипсеты поддерживают совершенно новый тип памяти DDR3 (наряду с традиционной DDR2-800), а также новое поколение интерфейса PCI Express 2.0 с удвоенной пропускной способностью графики, а также работают с новой технологией Intel Turbo Memory для ускорения загрузки приложений. G33 и G35 имеют интегрированную графику с полноценной аппаратной поддержкой DirectX 10. Первыми из этой серии в продаже появились материнские платы на чипсетах Intel G33 Express и Intel P35.

Материнская плата (англ. motherboard, MB, также используется название англ. mainboard — главная плата; сленг. мама, мать, материнка), (Рис.10) — 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, материнская плата содержит разъёмы (слоты) для подключения дополнительных контроллеров, для подключения которых обычно используются шины USB, PCI и PCI-Express.

Оперативная память (также оперативное запоминающее устройство, ОЗУ), (Рис.11) — в информатике — память, часть системы памяти ЭВМ, в которую процессор может обратиться за одну операцию (jump, move и т. п.). Предназначена для временного хранения данных и команд, необходимых процессору для выполнения им операций. Оперативная память передаёт процессору данные непосредственно, либо через кеш-память. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой индивидуальный адрес.

ОЗУможет изготавливаться как отдельный блок или входить в конструкцию однокристальной ЭВМ или микроконтроллера.

загрузочное ПЗУ — хранит ПО, которое исполняется сразу после включения питания. Как правило, загрузочное ПЗУ содержит BIOS, однако может содержать и ПО, работающие в рамках EFI.

Центральный процессор (ЦП; англ. central processing unit, CPU, дословно — центральное вычислительное устройство), (Рис.12) — исполнитель машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающий за выполнение операций, заданных программами.

Современные ЦП, выполняемые в виде отдельных микросхем (чипов), реализующих все особенности, присущие данного рода устройствам, называют микропроцессорами. С середины 1980-х последние практически вытеснили прочие виды ЦП, вследствие чего термин стал всё чаще и чаще восприниматься как обыкновенный синоним слова «микропроцессор». Тем не менее, это не так: центральные процессорные устройства некоторых суперкомпьютеров даже сегодня представляют собой сложные комплексы больших (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС).

Изначально термин Центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.

Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и миникомпьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода/вывода, таймеры, и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.

Видеокарта (известна также как графическая плата, графический ускоритель, графическая карта, видеоадаптер) (англ. videocard), (Рис.13) — устройство, преобразующее изображение, находящееся в памяти компьютера, в видеосигнал для монитора.

Обычно видеокарта является платой расширения и вставляется в разъём расширения, универсальный (PCI-Express, PCI, ISA, VLB, EISA, MCA) или специализированный (AGP), но бывает и встроенной (интегрированной) в системную плату (как в виде отдельного чипа, так и в качестве составляющей части северного моста чипсета или ЦПУ).

Современные видеокарты не ограничиваются простым выводом изображения, они имеют встроенный графический микропроцессор, который может производить дополнительную обработку, разгружая от этих задач центральный процессор компьютера. Например, все современные видеокарты NVIDIA и AMD (ATi) поддерживают приложения OpenGL на аппаратном уровне. В последнее время также имеет место тенденция использовать вычислительные способности графического процессора для решения неграфических задач.

Звуковая плата (также называемая звуковая карта или музыкальная плата) (англ. sound card), (Рис.14) — это плата, которая позволяет работать со звуком на компьютере. В настоящее время звуковые карты бывают как встроенными в материнскую плату, так и отдельными платами расширения или внешними устройствами. HD Audio — является эволюционным продолжением спецификации AC‘97, предложенным компанией Intel в 2004 году, обеспечивающей воспроизведение большего количества каналов с более высоким качеством звука, чем обеспечивалось при использовании интегрированных аудиокодеков, как AC"97. Аппаратные средства, основанные на HD Audio, поддерживают 192 кГц/24-разрядное качество звучания в двухканальном и 96 кГц/24-разрядное в многоканальном режимах (до 8 каналов).

Накопитель на жёстких магнитных дисках или НЖМД (англ. Hard (Magnetic) Disk Drive, HDD, HMDD), жёсткий диск, винчестер, в просторечии «винт», хард, харддиск, (Рис.15) — устройство хранения информации, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.

В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или керамические) пластины, покрытые слоем ферримагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома. В НЖМД используется от одной до нескольких пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образуемого у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках около 10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

Интерфейс (англ. interface) — совокупность линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии, и правил (протокола) обмена. Серийно выпускаемые жесткие диски могут использовать интерфейсы ATA (он же IDE и PATA), SATA, SCSI, SAS, FireWire, USB, SDIO и Fibre Channel.

Ёмкость (англ. capacity) — количество данных, которые могут храниться накопителем. Ёмкость современных устройств достигает 2000 Гб (2 Тб). В отличие от принятой в информатике системы приставок, обозначающих кратную 1024 величину, производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются величины, кратные 1000. Так, ёмкость жёсткого диска, маркированного как «200 ГБ», составляет 186,2 ГиБ.

Физический размер (форм-фактор) (англ. dimension). Почти все современные (2001—2010 года) накопители для персональных компьютеров и серверов имеют ширину либо 3,5, либо 2,5 дюйма — под размер стандартных креплений для них соответственно в настольных компьютерах и ноутбуках. Также получили распространение форматы 1,8 дюйма, 1,3 дюйма, 1 дюйм и 0,85 дюйма. Прекращено производство накопителей в форм-факторах 8 и 5,25 дюймов.

Время произвольного доступа (англ. random access time) — время, за которое винчестер гарантированно выполнит операцию чтения или записи на любом участке магнитного диска. Диапазон этого параметра невелик — от 2,5 до 16 мс. Как правило, минимальным временем обладают серверные диски (например, у Hitachi Ultrastar 15K147 — 3,7 мс), самым большим из актуальных — диски для портативных устройств (Seagate Momentus 5400.3 — 12,5).

Скорость вращения шпинделя (англ. spindle speed) — количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и средняя скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 5400, 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об/мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции).

Надёжность (англ. reliability) — определяется как среднее время наработки на отказ (MTBF). Также подавляющее большинство современных дисков поддерживают технологию S.M.A.R.T.

Количество операций ввода-вывода в секунду — у современных дисков это около 50 оп./с при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп./сек при последовательном доступе.

Потребление энергии — важный фактор для мобильных устройств.

Уровень шума — шум, который производит механика накопителя при его работе. Указывается в децибелах. Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума около 26 дБ и ниже. Шум состоит из шума вращения шпинделя (в том числе аэродинамического) и шума позиционирования.

Сопротивляемость ударам (англ. G-shock rating) — сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во включённом и выключенном состоянии.

Скорость передачи данных (англ. Transfer Rate) при последовательном доступе:

внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с;

внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с.

Объём буфера — буфером называется промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В дисках 2009 года он обычно варьируется от 8 до 64 Мб.

Сетевая плата, сетевая карта, сетевой адаптер, Ethernet-адаптер, NIC (англ. network interface controller), (Рис.16) — периферийное устройство, позволяющее компьютеру взаимодействовать с другими устройствами сети.

Модем (аббревиатура, составленная из слов модулятор-демодулятор), (Рис.17) — устройство, применяющееся в системах связи и выполняющее функцию модуляции и демодуляции. Модулятор осуществляет модуляцию несущего сигнала, то есть изменяет его характеристики в соответствии с изменениями входного информационного сигнала, демодулятор осуществляет обратный процесс. Частным случаем модема является широко применяемое периферийное устройство для компьютера, позволяющее ему связываться с другим компьютером, оборудованным модемом, через телефонную сеть (телефонный модем) или кабельную сеть (кабельный модем).

Модем выполняет функцию оконечного оборудования линии связи. При этом формирование данных для передачи и обработку принимаемых данных осуществляет терминальное оборудование, в простейшем случае — персональный компьютер.

Компьютерный блок питания, (Рис.18) — блок питания, предназначенный для снабжения узлов компьютера электрической энергией. В его задачу входит преобразование сетевого напряжения до заданных значений, их стабилизация и защита от незначительных помех питающего напряжения. Также, будучи снабжён вентилятором, он участвует в охлаждении системного блока.

Основным параметром компьютерного блока питания является максимальная мощность, потребляемая из сети. В настоящее время существуют блоки питания с заявленной производителем мощностью от 50 (встраиваемые платформы малых форм-факторов) до 1600 Вт.

Компьютерный блок питания для сегодняшней платформы PC обеспечивает выходные напряжения ±5 ±12 +3,3В Вольт. В большинстве случаев используется импульсный блок питания. Хотя абсолютное большинство чипов использует не более 5 Вольт, введение линии 12 Вольт дает использовать большую мощность (импульсный блок питания без 12 Вольт не может выдавать более 210 Ватт), которая нужна для питания жёстких дисков, оптических приводов, вентиляторов, а в последнее время и материнских плат, процессоров, видеоадаптеров, звуковых карт.

Всё вышесказанное относится к наиболее распространённым ныне блокам питания стандарта ATX, который начал использоваться во времена процессоров Intel Pentium. Ранее (начиная с компьютеров IBM PC/AT до платформ на базе процессоров до Socket 370/SECC-2 включительно) на PC-платформе использовались блоки питания стандарта AT. Существовали материнские платы с процессорными разъёмами Socket 7 и Socket 370, которые поддерживали блоки питания и AT, и ATX (так называемые двухстандартные платы).

Дисковод, (Рис.19) — электромеханическое устройство, позволяющее осуществить чтение/запись информации на цифровые носители имеющие форму диска. При этом носитель может быть съёмным или встроенным в устройство. Съёмный носитель часто для защиты помещают в картридж, конверт, корпус и т. д.

Дисководы бывают нескольких типов:

Дисководы для жестких дисков (НЖМД);

Дисководы для дискет;

Дисководы для магнитооптических дисков;

Дисководы для ZIP-дискет;

Дисководы CD-ROM/R/RW;

Дисководы DVD-ROM/R/RW, DVD-RAM.

Система охлаждения компьютера, (Рис.20) — набор средств для отвода тепла (по сути охлаждения) в компьютере.

Для отвода в основном используется:

Радиатор (алюминиевый или медный)

Связка «радиатор + вентилятор» — кулер

Система жидкостного охлаждения

Фреонная установка

Охлаждающие установки, где в качестве хладагента используются жидкий азот или жидкий гелий.

Компьютерная шина (от англ. computer bus, bidirectional universal switch — двунаправленный универсальный коммутатор), (Рис.21) — в архитектуре компьютера подсистема, которая передаёт данные между функциональными блоками компьютера. Обычно шина управляется драйвером. В отличие от связи точка—точка, к шине можно подключить несколько устройств по одному набору проводников. Каждая шина определяет свой набор коннекторов (соединений) для физического подключения устройств, карт и кабелей.

Ранние компьютерные шины представляли собой параллельные электрические шины с несколькими подключениями, но сейчас данный термин используется для любых физических механизмов, предоставляющих такую, же логическую функциональность, как параллельные компьютерные шины. Современные компьютерные шины используют как параллельные, так и последовательные соединения и могут иметь параллельные (multidrop) и цепные (daisy chain) топологии. В случае USB и некоторых других шин могут также использоваться хабы (концентраторы).

ATA (англ. Advanced Technology Attachment — присоединение по передовой технологии) — параллельный интерфейс подключения накопителей (жёстких дисков и оптических приводов) к компьютеру. В 1990-е годы был стандартом на платформе IBM PC; в настоящее время вытесняется своим последователем — SATA и с его появлением получил название PATA (Parallel ATA).

SATA (англ. Serial ATA) — последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации. SATA является развитием параллельного интерфейса ATA (IDE), который после появления SATA был переименован в PATA (Parallel ATA). SATA использует 7-контактный разъём вместо 40-контактного разъёма у PATA. SATA-кабель имеет меньшую площадь, за счёт чего уменьшается сопротивление воздуху, обдувающему комплектующие компьютера, упрощается разводка проводов внутри системного блока.

SATA-кабель за счёт своей формы более устойчив к многократному подключению. Питающий шнур SATA также разработан с учётом многократных подключений. Разъём питания SATA подаёт 3 напряжения питания: +12 В, +5 В и +3,3 В; однако современные устройства могут работать без напряжения +3,3 В, что даёт возможность использовать пассивный переходник со стандартного разъёма питания IDE на SATA. Ряд SATA-устройств поставляется с двумя разъёмами питания: SATA и Molex.

Стандарт SATA отказался от традиционного для PATA подключения по два устройства на шлейф; каждому устройству полагается отдельный кабель, что снимает проблему невозможности одновременной работы устройств, находящихся на одном кабеле (и возникавших отсюда задержек), уменьшает возможные проблемы при сборке (проблема конфликта Slave/Master устройств для SATA отсутствует), устраняет возможность ошибок при использовании нетерминированных PATA-шлейфов.

Стандарт SATA поддерживает функцию очереди команд (NCQ, начиная с SATA Revision 2.x). Стандарт SATA не предусматривает горячую замену устройств (вплоть до SATA Revision 3.x).

ТВ-тюнер (англ. TV tuner), (Рис.22) — род телевизионного приёмника (тюнера), предназначенный для приёма телевизионного сигнала в различных форматах вещания с показом на мониторе компьютера. Кроме того, большинство современных ТВ-тюнеров принимают FM-радиостанции и могут использоваться для захвата видео.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Архитектура компьютера - это логическая организация и структура аппаратных и программных ресурсов вычислительной системы. Архитектура заключает в себе требования к функциональности и принципы организации основных узлов ЭВМ.

Внешняя архитектура современного персонального компьютера представляет собой соединение монитора, клавиатуры, мыши и акустической системы к системному блоку.

Внутренняя архитектура современного персонального компьютера определяется схемой его чипсета, набором микросхем, спроектированных для совместной работы с целью выполнения набора каких-либо функций. компьютерах Чипсет в компьютере выполняет роль связующего компонента, обеспечивающего совместное функционирование подсистем памяти, ЦПУ, ввода-вывода и других. Выбор типа чипсета зависит от процессора, с которым он работает, и определяет разновидности внешних устройств (видеокарты, винчестера и др.).

Важным направлением развития вычислительных средств пятого и последующих поколений является интеллектуализация ЭВМ, связанная с наделением ее элементами интеллекта, интеллектуализацией интерфейса с пользователем и др. Работа в данном направлении, затрагивая, в первую очередь, программное обеспечение, потребует и создания ЭВМ определенной архитектуры, используемых в системах управления базами знаний, - компьютеров баз знаний, а так же других подклассов ЭВМ. При этом ЭВМ должна обладать способностью к обучению, производить ассоциативную обработку информации и вести интеллектуальный диалог при решении конкретных задач.

В заключение отметим, что ряд названных вопросов реализован в перспективных ЭВМ пятого поколения либо находится в стадии технической проработки, другие - в стадии теоретических исследований и поисков.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Балдин К.В., Уткин В.Б. Информатика: Учебник для студ. вузов. - М.: ПРОЕКТ, 2003.

2. Банк рефератов. Copyright 2005-2009. http://referat2000.bizforum.ru

3.Википедия, свободная энциклопндия. http://ru.wikipedia.org/wiki/Архитектура_персонального_компьютера.

4. Информатика. Базовый курс. Для ВУЗов 2-е издание / Под ред. С. В. Симоновича. СПб.: Питер, 2007. —640с.: ил.

5. Леонтьев В.П. Персональный компьютер. Карманный справочник. - М.: ОЛМА-ПРЕСС, 2004.

6. Леонтьев В.П. Новейшая энциклопедия персонального компьютера 2005. - М.: ОЛМА-ПРЕСС Образование, 2005. - 800с.: ил.

7. Производственное объединение ARAGOR, удобный банк рефератов.http://www.aragor.su/info

8. Рудометов Е., Рудометов В. Архитектура ПК, комплектующие, мультимедиа. — СПб, 2000.

9. Скотт Мюллер. Модернизация и ремонт ПК для новичков = Upgrading and Repairing PCs. — 17-е изд. — М.: Вильямс, 2007.

10. Студия ArtOfWeb.BIZ, дипломы, курсовые по информатике и компьютерныым технологиям, компьютерам и сетям. http://www.oszone.net/windows/arc.shtml

11. Энциклопедия для детей. Том 22. Информатика/ Глав. ред. Е. А. Хлебалина, вед. науч. ред. А.Г.Леонов.— М.: Аванта+ 2003.—624с.: ил.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Рис.1. Компьютер Рис.2. Системный блок

Рис.3. Монитор Рис.4. Клавиатура

Рис.5. Комп. мышь Рис.6. Принтер

Рис.7. Сканер Рис.8. Акуст. система

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Рис.9. Чипсет

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Рис.10. Материнская плата Рис.11. Оперативная память

Рис.12. Центральный процессор Рис.13. Видеокарта

Рис.14. Звуковая плата Рис.15. Жесткий диск

Рис.16. Сетевая плата Рис.17. Модем

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

Рис.18. Блок питания Рис.19. Дисковод

Рис.20. Система охлаждения Рис.21. Компьютерная шина

Рис.22. TV-тюнер

МИНИСТЕРСТВО ОБЪЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНАГО ОБРОЗОВАНИЯ СВЕРДЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ Государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования Свердловской области «Нижнетагильский техникум металлообрабатывающих производств и с

Компьютерная архитектура (computer architecture) – это разработанный Джоном фон Нейманом набор правил и методов описания функций, которые участвуют в организации работы компьютерных систем. Впервые документальное упоминание данного термина найдено в переписке английского ученого Чарльза Бэббиджа с писательницей и математиком Адой Лавлейс в первой половине ХХ века.

Понятие архитектуры персонального компьютера (ПК) дает нам представление о том, как он устроен, как разные устройства взаимодействуют друг с другом. Они подсоединяются по определенной схеме, а ее вариации и будут разновидностями архитектурных систем.

Любой современный персональный компьютер или ноутбук – это сложное многофункциональное устройство, а не просто мультиплатформенная игровая приставка. Всего можно выделить пять уровней архитектуры электронно вычислительных машин (ЭВМ):

• нулевой уровень;
• первый уровень – микроархитектура компьютера;
• второй – системные команды;
• третий – операционная система;
• четвертый – прикладные и системные программы;
• пятый – уровень высокого языка.

Основные узлы компьютера

Комплекс нескольких логических схем и элементов памяти, создающих выходные сигналы, является узлом ПК. Абсолютно все компьютерные программы или игры имеют требования к основным характеристикам для корректной работы. Все узлы компьютера должны быть максимально совместимы друг с другом. В противном случае работать в программах будет некомфортно.

К перечню подобных узлов системного блока обычно относят:

1. Процессор – основополагающий элемент всего функционала компьютера;
2. Системная плата, ее еще называют «материнской»;
3. Блок питания – необходим для энергоснабжения ПК;
4. Жесткий диск – хранилище информации на ПК или ноутбуке;
5. Оптический привод – устройство для чтения с внешних носителей, который редко встречается на новейших системах;
6. Разъемы для подключаемых устройств.

Классическая архитектура

Классическую концепцию построения компьютера по готовой логической схеме предложил математик Нейман в 1945 году. В ходе обсуждений и в рамках проектирования компьютера EDVAC было решено использовать память для хранения ряда инструкций и данных. Принципиально новая концепция Джона фон Неймана стала общепринятым стандартом и основой не для одного поколения персональных компьютеров. Главный ее принцип заключен в наличии пяти важных компонентов :

В условиях данной схемы функционирования, должен прослеживаться определенный алгоритм. Если в память ПК направляются данные для обработки из какой-либо программы, то потом они должны выводиться при помощи наружного устройства. После, управляющее устройство должно проанализировать полученную информацию и отправить на дальнейшее выполнение. Возможно придется задействовать другие составляющие ПК.

Современные тенденции развития архитектуры персонального компьютера

В современных персональных компьютерах архитектура характеризуется наличием контроллеров. Их появление – это итог пересмотра классической концепции. Теперь микропроцессор берет на себя функцию обмена данными с внешними устройствами. Производители смогли отделить микропроцессор от многофункционального компонента при помощи обнаруженных особенностей интегральных схем. Так возникли разные каналы обмена , в том числе и периферийные микросхемы, позднее их стали называть контроллерами. Сегодня подобные аппаратные компоненты в компьютерах научились управлять практически любым оборудованием.

Новейшие архитектуры ПК преимущественно используют шины. Эти каналы связи обеспечивают взаимодействие всех аппаратных элементов и обычно выглядят как электрическое соединение с проводниками. В ее структуру могут включаться специализированные модули, которые отвечают за различные функции.

Графически архитектура современного компьютера выглядит так:

Архитектура IBM

Такой тип как открытая архитектура позволяет свободно подключать любую периферию к компьютеру. Достигнуто это благодаря использовании информационной шины (ее объем можно узнать из характеристик материнской платы). Она позволила производителям периферийного оборудования разработать контроллеры для любых стандартов.

Управление системой осуществляется непосредственно процессором. Под его же управлением находятся информационная шина. Современный принцип открытой архитектуры ПК подразумевает наличие функциональных и центральных контроллеров.

Функциональные контроллеры обеспечивают подключение модема, мыши, клавиатуры и принтера.

Архитектура IBM предоставляет собой набор инструкции по созданию приложений в облаке. Эталоном считается базовый шаблон в то время как реализация – это определенные технологии, методы и выбор инструмента для создания и развертывания этого шаблона.

Многопроцессорная архитектура

Архитектура по типу МВС (многопроцессорных вычислительных систем) включает в себя несколько самостоятельных ЭВМ, каждая из которых имеет свой собственный набор периферийных устройств, оперативную память, процессор и управляется своей операционной системой. Различают три вида связи между ними: слабую (косвенную), прямую и сателлитную.

В косвенно-связанных системах машины связаны только внешним запоминающим устройством. При этом каждая ЭВМ, согласно своим программам, помещает информацию на внешнее запоминающее устройство, а другая, руководствуясь собственной программой, извлекает ее. Такая связь используется для повышения надежности комплекса путем создания резервных вычислительных машин, которые при необходимости возьмут на себя задачи основной ЭВМ.

Прямосвязанные МВС обладают особенной гибкостью поскольку могут связываться между собой через общее запоминающее устройство, напрямую от процессора к процессору и через адаптер. Связь осуществляется на информационно-командном уровне, но более эффективно.

Для сателлитных систем свойственно опираться не на способ связи, а на принцип взаимодействия ЭВМ. Но в тоже время структура связи не отличается от предыдущих.

ЭВМ с несколькими процессорами способны организовать множество потоков данных и команд, а несколько фрагментов одной задачи выполнять параллельно.

Таким образом создание различных архитектур вызвано растущими потребностями человека – скоростью, эффективностью и мобильностью.