Архитектура персонального компьютера

Архитектура персонального компьютера.

Статьи по теме
Искать по теме

Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно.

В настоящее время производства компьютеров и программного обеспечения является одной из наиболее важных сфер экономики развитых и развивающихся стран.

Причины стремительного роста в производстве персональных компьютеров:

- сравнительная выгодность для многих деловых применений;

- простота использования;

- возможность индивидуального взаимодействия с компьютеров без посредников и ограничений;

- высокие возможности по переработке, хранению и выдаче информации;

- высокая надежность, простота ремонта и эксплуатации;

- возможность расширения и адаптации к особенностям применения компьютеров;

- наличие программного обеспечения, охватывающего практически все сферы человеческой деятельности, а также мощных систем для разработки нового программного обеспечения.

Мощность компьютеров постоянно увеличивается, а область их применения постоянно расширяется. Компьютеры могут объединяться в сети, что позволяет миллионам людей легко обмениваться информацией с компьютерами, находящимися в любой точке земного шара.

Архитектура компьютера – это совокупность аппаратных и программных средств, а также система их взаимодействия, обеспечивающая функционирование компьютера.

В основном архитектуры почти всех компьютеров сделана на базе IBM PC. Такая архитектура обладает следующими свойствами:

- Открытость

- Модульность

Открытость означает возможность замены отдельных компонентов компьютера их более совершенными версиями, а также возможность подключения к компьютеры новых устройств с целью расширения его возможностей.

Главное – указанные операции выполняются чрезвычайно просто в этом заслуга модульного принципа, в соответствии с которым все компоненты машины выполнены виде законченных конструкций, модулей, имеющие стандартные размеры и средства соединения с компьютером. Они несвязанны жестко в единое неразъемное устройство, а предусмотрена для них возможность быстрого подключения и отсоединения от ЭВМ.

Все устройства компьютера размещены по магистрально модульному принципу. Схематично магистрально модульный принцип компьютера изображен на рис.1.

Архитектура персонального компьютера

Рис. 1 Магистрально модульный принцип ЭВМ

1. Внутренние устройства компьютера

Самым главным элементом в компьютере, его "мозгом" является микропроцессор. Микропроцессор – это электронная схема, выполняющая все функции обработки информации и управление всеми блоками ЭВМ. Конструктивно представляет собой один кристалл 4-6 см2.

В состав микропроцессора входят следующие блоки:

1. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – это устройство, выполняющее логические и арифметические операции в двоичной системе исчисления.

2. Память микропроцессора – это память регистров, в которых хранятся данные и их адреса

3. Кэш память – быстрая память повышает производительность работы микропроцессора за счет буферизации часто используемых команд

4. Управляющее устройство (УУ) – это устройство обеспечивает режим многозадачности, который способствует организации работы ЭВМ, при которой в её памяти одновременно содержатся программы и данные для решения нескольких задач. Многозадачность осуществляется за счет системы прерываний и защиты памяти

5. Магистраль микропроцессора – она предназначена для обмена информации между блоками микропроцессора

В настоящее время все процессоры отличаются друг от друга двумя характеристиками: типом (моделью) и тактовой частотой. Чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена процессора. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) выполняется за одну секунду. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц).

Также в компьютере важную роль играет запоминающее устройство

Запоминающее устройство – это блок ЭВМ, предназначенный для временного (оперативная память) и продолжительного (постоянная память) хранения программ, входных и результирующих данных, а также промежуточных результатов.

Виды ЗПУ:

1. ОЗУ (оперативная память) – это быстро действующее запоминающее устройство, сравнительно небольшого объема, в котором хранится выполняемая в текущий момент программа и ее данные.

2. Кэш память – это сверхбыстрая память, предназначенная для хранения промежуточных результатов.

3. ПЗУ (постоянная память) – это память предназначена для хранения системных и вспомогательных программ (Bios), она энергонезависима, но скорость обмена данными в подавляющем большинстве случаев, значительно меньше.

Для каждого внешнего устройства в компьютере имеется электронная схема (контроллер или адаптер), которая им управляет. Некоторые контроллеры (например, контроллер дисков) могут управлять сразу несколькими устройствами. Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, называемой шиной.

Шина – системная плата, обеспечивающая ввод-вывод информации. Характеристикой шины является скорость обмена. Основные типы шин (расположены в порядке улучшения характеристик): ISA, EISA, VESA, PCI, AGP. Разъёмы-"слоты" стандарта PCI родился он около 10 лет назад и сегодня является основным стандартом слотов для подключения дополнительных устройств.

Разъёмы PCI – обычно самые короткие, белого цвета, разделенные своеобразной "перемычкой" на две неравные части. Ранее в слот PCI устанавливалась и видеокарта, теперь для этой цели служит разъем AGP (Advanced Graphic Port). Это специальный, более быстрый с точки зрения пропускной способности слот. Остальные слоты в новые компьютеры не устанавливаются.

Для упрощения подключения устройств электронные схемы состоят из нескольких модулей – электронных плат. На основной плате компьютера – системной (материнской) – располагаются процессор, сопроцессор, оперативная память и шина. Схемы, управляющие внешними устройствами компьютера (контроллеры или адаптеры), находятся на отдельных платах вставляющихся в унифицированные разъёмы (слоты) на материнской плате.

Жесткий диск (винчестер, HDD) – предназначен для постоянного хранения информации, используемой при работе компьютера: операционной системы, документов, игр и т.д. Основными характеристиками жесткого диска являются его емкость, измеряемая в гигабайтах (Гб), скорость чтения данных, среднее время доступа, размер кэш-памяти. Информация хранится на одной или нескольких круглых пластинках с магнитным слоем, над которыми летают магнитные записывающие головки. Винчестеры подключаются к материнской плате с помощью специальных шлейфов-кабелей, каждый из которых рассчитан на два устройства.

Накопители на гибких дисках (дискетах, флоппи-дисках) позволяют переносить документы с одного компьютера на другой, хранить информацию. Основным недостатком накопителя служит его малая емкость (всего 1,44 Мб) и ненадежность хранения информации. Однако именно этот способ для многих российских пользователей является единственной возможностью перенести информацию на другой компьютер. На компьютерах последних лет выпуска устанавливаются дисководы для дискет размером 3,5 дюйма (89мм). Раньше использовались накопители размером 5,25 дюймов. Они, не смотря на свои размеры, обладают меньшей емкостью и менее надежны и долговечны. Оба типа дискет обладают защитой от записи (перемычка на защитном корпусе дискеты). В последнее время стали появляться альтернативные устройства: внешние дисководы, с дисками емкостью до 1,5 Гб и намного большей скоростью чтения, нежели дисковод флоппи-дисков, однако они ещё мало распространены и весьма недёшевы.

Устройство для чтения компакт-дисков (CD-ROM) предназначено для чтения записей на компакт-дисках. Достоинства устройства – большая емкость дисков, быстрый доступ, надежность, универсальность, низкая стоимость. Основное понятие, характеризующее работу данного устройства – скорость. Самые первые CD-ROM – 1-скоростные. Сейчас появились 52-скоростные CD-ROM. Что значит 52 скоростной привод? Это значит, что он читает данные в 52 раза быстрее самого первого 1 скоростного (150 Кб/с) CD-ROM. Следовательно, 52 умножаем на 150… 7800 килобайт в секунду! Главный недостаток стандартных дисководов CD-ROM – не возможность записи информации. Для этого необходимы другие устройства:

CD-R – дисковод с возможностью однократной записи информации на специальный диск, в России их называют "болванками". Запись на эти диски осуществляется благодаря наличию на них особого светочувствительного слоя, выгорающего под воздействием высокотемпературного лазерного луча.

CD-RW – дисковод с возможностью многократной записи информации. Это устройство работает совершенно по другому принципу и совсем другими дисками, чем CD-R.

В последнее время всё большее распространение получает DVD-ROM – устройство, предназначенное для чтения дисков формата DVD.

BIOS (Basic Input – Output System) – базовая система ввода-вывода – микросхема, установленная на материнской плате. Именно здесь хранятся основные настройки компьютера. С помощью BIOS можно изменить скорость работы процессора, параметры работы для других внутренних и некоторых внешних устройств компьютера. BIOS – это первый и самый важный из мостиков, связующий между собой аппаратную и программную часть компьютера. Поэтому для современных BIOS немало важными особенностями является возможность её обновления, работы со стандартом Plag&Play возможность загрузки компьютера с CD-ROM, сети и дисководов ZIP.

2. Внешние устройства компьютера

По-другому внешние устройства называют периферийными устройствами.

Клавиатура – устройство, предназначенное для ввода в компьютер информации от пользователя. Современная клавиатура состоит из 104 укреплённых в едином корпусе клавиш.

Мышь – манипулятор для ввода информации в компьютер. Он необходим для работы с графическими пакетами, чертежами, при разработке схем и при работе в новых операционных системах. Основной характеристикой мыши является разрешающая способность, измеряемая в точках на дюйм (dpi). Неплохо иметь также специальный коврик под мышь, что обеспечивает её сохранность и долговечность. Самые простые и дешевые модели – оптико-механические. Более дорогие и надёжные модели "мышек" – оптические и радио. А самым большим шиком считаются инфракрасные беспроводные мыши. Сочетания такого зверя с инфракрасной клавиатурой – верх компьютерного шика.

Джойстик – манипулятор в виде укрепленной на шарнире ручки с кнопками, употребляется в компьютерных играх.

Монитор (дисплей) – устройство, предназначенное для вывода на экран текстовой и графической информации. От качества монитора зависит сохранность зрения и обще утомляемость при работе. Мониторы имеют стандартный размер диагонали в 14,15,17,19,20 и 21 дюйм. Однако в настоящее время мониторы с 14 дюймовым экраном не выпускают.

Виды мониторов

- Монитор на электро – лучевой трубке

- Монитор на жидких кристаллах.

- Плазменные мониторы.

Принтер – устройство, предназначенное для вывода текстовой и графической информации на бумагу. Различают матричные, струйные и лазерные принтеры (расположены в порядке улучшения качества и скорости печати). Принтеры бывают цветные (струйные и лазерные) и черно-белые (матричные и лазерные).

Сканер – устройство для ввода в компьютер текстовой и графической информации. Сканеры бывают ручные, настольные планшетные и даже напольные. Ручные сканеры дешевле прочих, но качество и точность сканирования у них очень малы. Настольные планшетные сканеры позволяют достигать намного лучшего результата, но цена таких сканеров намного выше.

Плоттер – устройство, позволяющее выводить графическую информацию на бумагу или другие носители. Типовые задачи для плоттеров – выполнение различных чертежей, схем, рисунков, графиков, карт и т.п. Современные плоттеры классифицируются по формату использования бумаги и типу пишущего механизма. Цена плоттера и расходных материалов, как правило, достаточно высока. Но качество близко к полиграфическому и оправдывает все затраты.

Модем (модулятор-демодулятор)- устройство, позволяющее компьютеру выходить на связь с другим компьютером посредством телефонных линий. По своему внешнему виду и месту установки модемы подразделяются на внутренние (internal) и внешние (external). Внутренние модемы представляют собой электронную плату, устанавливаемую непосредственно в компьютер, а внешние – автономное устройство, подсоединяемое к одному из портов. Внешний модем стоит дороже внутреннего того же типа из-за внешней привлекательности и более легкой установки. Основной параметр в работе модема – скорость передачи данных. Она измеряется в bps (бит в секунду). Сегодня достаточно хорошим модемом считается модем со скоростью 33600 bps (около 230Kb в минуту). Также важными показателями в современных модемах является наличие режима коррекции ошибок и режима сжатия данных. Первый режим обеспечивает дополнительные сигналы, посредством которых модемы осуществляют проверку данных на двух концах линии и отбрасывают немаркированную информацию, а второй сжимает информацию для более быстрой и четкой ее передачи, а затем восстанавливает ее на получающем модеме. Оба эти режима заметно увеличивают скорость и чистоту передачи информации, особенно в российских телефонных линиях. Также существуют мировые стандарты скорости модема, сжатия данных и коррекции ошибок.

3. Краткая история компьютерной техники

1644г. "Вычислитель" Блеза Паскаля – первая по настоящему популярная считающая машина, производившая арифметические действия над 5-значными числами.

1674г. Вильгельм Годфрид фон Лейбниц сконструировал механическую счётную машину, которая умела производить не только операции сложения и вычитания, но и умножения!

1820г. Первый калькулятор – "Арифмометр" Шарля де Кольмара. Продержалось на рынке (с некоторыми усовершенствованиями) целых 90 лет!

1834г. Знаменитая "Аналитическая машина" Чарльза Бэббиджа – первый программируемый компьютер, использовавший примитивные программы на перфокартах.

1871г. Бэббидж создал прототип аналитического устройства компьютера и печатающее устройство – принтер.

1886г. Дорр Фелт создал Comptometer – первое устройство с клавишным вводом данных.

1935г. Корпорация IBM (International Business Machines) начала выпуск массовых вычислителей IBM-601.

1937г. Математик Алан Тюринг создал "математическую модель" компьютера, получившую название "Машина Тюринга".

1938г. Кондрад Цузе, друг и коллега знаменитого Вернера фон Брауна, создал в Берлине один из первых компьютеров – V1.

1956г. В Массачусетском технологическом институте создан первый компьютер на транзисторной основе. В этом же году IBM создала первый накопитель информации – прототип винчестера – жёсткий диск КАМАС 305.

1958-1959г. Д. Килби и Р. Нойс создали уникальную цепь логических элементов на поверхности кремниевого кристалла, соединённого алюминиевыми контактами – первый прототип микропроцессора, интегральную микросхему.

1960г. АТ разработали первый модем.

1963г. Дуглас Энгельбарт получил патент на изобретённый им манипулятор – "мышь".

1969г. Intel представляет первую микросхему оперативной памяти объёмом 1 Кб. В этом же году фирма Xerox создаёт технологию лазерного копирования изображений, которая через много лет ляжет в основу технологии печати лазерных принтеров. Первые "ксероксы".

1972г. Новый микропроцессор от Intel – 8-разрядный Intel-8008. Xerox создаёт первый микрокомпьютер Dynabook, размером чуть больше записной книжки.

1980г. Компьютер Atari становится самым популярным компьютером года. Seagate Technologies представляет первый винчестер для персональных компьютеров – жёсткий диск диаметров 5.25 дюймов.

1982г. На рынке появляется новая модель от IBM – знаменитая IBM PC AT – и первые клоны IBM PC. IBM представляет процессор 16-разрядный 80286. Рабочая частота 6 МГц. Hercules представляет первую чёрно-белую видеокарту – Hercules Graphics Adapter (HGA).

1983г. Commodore выпускает первый портативный компьютер с цветным дисплеем (5 цветов). IBM представляет компьютер IBM PC XT, укомплектованный 10 Мб жёстким диском, дисководом на 360 Кб и 128 (позднее 768) Кб оперативной памяти. Появляются первые модули памяти SIMM. Philips и Sony представляют миру технологию CD-ROM.

1984г. Apple выпускает модем на 1200 бод. Hewlett-Packard выпускает первый лазерный принтер серии LaserJet с разрешением до 300 dpi. Philips выпускает первый дисковод CD-ROM. IBM представляет первые мониторы и видеоадаптеры EGA (16 цветов, разрешение – 630х350 точек на дюйм), а также профессиональные 14-дюймовые мониторы, поддерживающие 256 цветов и разрешение в 640х480 точек.

1985г. Новый процессор от Intel – 32 разрядный 80386DX (со встроенным сопроцессором). Рабочая частота 16 МГц, скорость около 5 млн. операций в секунду. Первый

1991г. Apple представляет первый монохромный ручной сканер. AMD представляет усовершенствованные "клоны" процессоров Intel – 386DX с тактовой частотой 40 МГц и 486SX с частотой 20 МГц. Первая стерео музыкальная карта – 8-битный Sound Blaster Pro.

1993г. Intel представляет новый стандарт шины и слота для подключения дополнительных плат – PCI. Первый процессор нового поколения процессоров Intel – 32-разрядный Pentium. Рабочая частота от 60 МГ, быстродействие – от 100 млн. операций в секунду. Microsoft и Intel совместно с крупнейшими производителями ПК вырабатывают технологию Plug&Play (включи и работай), допускающую автоматическое распознавание компьютером новых устройств, а также их конфигурацию.

1994г. Iomega представляет диски и дисководы ZIP и JAZ – альтернативу существующим дискетам 1.44 Мб. US Robotics выпускает первый модем со скоростью 28800 бод.

1995г. Анонсирован стандарт новых носителей на лазерных дисках – DVD. AMD выпускает последний процессор поколения 486 – AMD 486DX-120. Intel представляет процессор Pentium Pro, предназначенный для мощных рабочих станций. Компания 3dfx выпускает набор микросхем Voodoo, который лёг в основу первых ускорителей трёхмерной графики для домашних ПК. Первые очки и шлемы "виртуальной реальности" для домашних ПК.

1996г. Рождение шины USB. Intel выпускает процессор Pentium MMX с поддержкой новых инструкций для работы с мультимедиа. Начало производства массовых жидкокристаллических мониторов для домашних ПК.

1997г. Появление процессоров Pentium II, и альтернативных процессоров AMD K6. Первые дисководы DVD. Выпуск первых звуковых плат формата PCI. Новый графический порт AGP.

1998г. Apple выпускает новый компьютер iMac, отличающийся не только своей мощью и потрясающим дизайном. Выпуск процессоров Celeron с урезанной кэш-памятью второго уровня. "Трёхмерная революция": на рынке появляется десяток новых моделей трёхмерных ускорителей, интегрированных в обычные видеокарты. В течение года прекращён выпуск видеокарт без 3D-ускорителей.

1999г. Выпуск новых процессоров Pentium III.

2000-2001г.г. Жёсткая конкурентная борьба между Intel и AMD, приведшая к созданию процессоров с ужасающей скоростью 1900 МГц. Это привело и к росту оперативной памяти, объёму жёстких дисков и видеокарт и т.д.

Выводы

Развитие электронной промышленности осуществляется такими быстрыми темпами, что буквально через один год, сегодняшнее "чудо техники" становится морально устаревшим. Однако принципы устройства компьютера остаются неизменными еще с того момента, как знаменитый математик Джон фон Нейман в 1945 году подготовил доклад об устройстве и функционировании универсальных вычислительных устройств.

К тому же, каждый пользователь, эксплуатирующий персональный компьютер, знает круг задач для решения, которых он использует компьютер, следовательно, и 10 лет назад приобретенная "286-я машина" исправно работающая, удовлетворяющая запросы того или иного специалиста является незаменимым его помощником в повседневном труде.

Поэтому рассмотренная выше тема дает наглядное представление о том, какое ведущее место в жизни общества занимают в настоящее время персональные компьютеры, сфера применения которых безгранична.

Литература

1. Информатика. Базовый курс. / Под ред. С.В.Симоновича. – СПб., 2000 г.

2. Компьютерные технологии обработки информации: Учебное пособие /Под ред. С.В. Назарова. – М.: Финансы и статистика, 1995.

3. Могилев А.В. Информатика: Учебное пособие, Москва: Издательский центр "Академия", 2001

4. Успенский И. Энциклопедия Интернет-бизнеса, СПб: Питер, 2001