Структура современных персональных компьютеров

    Для реализации принципа микропрограммируемости необходимо наличие в компьютере так называемой постоянной памяти, в ячейках которой будут постоянно  храниться коды, соответствующие  различным комбинациям управляющих  сигналов. Каждая такая комбинация позволяет выполнить элементарную операцию, т.е. подключить определенные электрические цепи и схемы.

    Для того чтобы выполнить элементарную операцию, необходимо задать управляющий  сигнал. Как уже было сказано, он хранится в ячейке постоянной памяти, имеющей совершенно определенный, конкретный адрес. Значит, достаточно задать определенную последовательность адресов, чтобы  был сформирован набор управляющих  сигналов для выполнения элементарных операций. Задает эту последовательность адресов микропрограмма, также хранящаяся в постоянной памяти. 

    Современный компьютер можно представить  в большинстве случаев упрощенной структурной схемой, где выделены центральная и периферийная части. К центральной части относятся  процессор и внутренняя память, к  периферийной части - устройства ввода-вывода и внешняя память. В основу упрощенной структурной схемы заложены принципы магистральности, модульности, микропрограммирумости. 
 

    Начнем  с рассмотрения центральной части. 

    Микропроцессор (МП) (центральный микропроцессор) – это «сердце» компьютера. Это центральный блок ПК, предназначенный для управление работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операции над информацией. Микропроцессор – важнейший элемент компьютера, так как им определяется скорость выполнения машиной программ пользователя. Со времени появления персональных компьютеров (ПК) сменилось несколько поколений процессоров.

    Физически микропроцессор представляет собой  интегральную схему – тонкую пластинку  кристаллического кремния прямоугольной  формы площадью всего несколько  квадратных сантиметров, на которой  размещены схемы, реализующие все  функции процессора. Микропроцессор установлен на материнской плате  и связан с ней интерфейсом  процессорного разъема. Процессор имеет специальные ячейки, которые называются регистрами. Именно в регистрах помещаются команды, которые выполняются процессором, а также данные, которыми оперируют команды. Работа процессора состоит в выборе из памяти в определенной последовательности команд и данных и их выполнении. На этом и базируется выполнение программ.

Основными параметрами процессоров являются:

• тактовая частота,
• разрядность,
• рабочее напряжение,
• коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты,
• размер кэш-памяти.

    Тактовая  частота определяет количество элементарных операций (тактов), выполняемых процессором за единицу времени. Тактовая частота современных процессоров измеряется в МГц (1 Гц соответствует выполнению одной операции за одну секунду, 1 МГц=106 Гц). Чем больше тактовая частота, тем больше команд может выполнить процессор, и тем больше его производительность.  

    Разрядность процессора показывает, сколько бит  данных он может принять и обработать в своих регистрах за один такт. Разрядность процессора определяется разрядностью командной шины, то есть количеством проводников в шине, по которой передаются команды.  

    Рабочее напряжение процессора обеспечивается материнской платой, поэтому разным маркам процессоров отвечают разные материнские платы. Снижение рабочего напряжения разрешает уменьшить размеры процессоров, а также уменьшить тепловыделение в процессоре, что разрешает увеличить его производительность без угрозы перегрева. 

    Коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты - это коэффициент, на который  следует умножить тактовую частоту  материнской платы, для достижения частоты процессора. Тактовые сигналы  процессор получает от материнской  платы, которая из чисто физических причин не может работать на таких  высоких частотах, как процессор.  

    Кэш-память. Обмен данными внутри процессора происходит намного быстрее, чем  обмен данными между процессором  и оперативной памятью. Поэтому, для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают так называемую сверхоперативную или кэш-память. Когда процессору нужны данные, он сначала обращается к кэш-памяти, и только тогда, когда там отсутствуют нужные данные, происходит обращение к оперативной памяти. Чем больше размер кэш-памяти, тем большая вероятность, что необходимые данные находятся там. Поэтому высокопроизводительные процессоры имеют повышенные объемы кэш-памяти. 

    В процессе работы процессор обрабатывает данные, находящиеся в его регистрах, оперативной памяти и внешних  портах процессора. Часть данных интерпретируется как собственно данные, часть данных - как адресные данные, а часть - как  команды. Совокупность разнообразных  команд, которые может выполнить  процессор над данными, образовывает систему команд процессора. Чем больше набор команд процессора, тем сложнее  его архитектура, тем длиннее  запись команд в байтах и тем дольше средняя продолжительность выполнения команд. 
 

    В состав микропроцессора входят:  

    - устройство управления (УУ): непосредственно  выполняет синхронизацию и управление, т.е. подает во все блоки  машины в нужные моменты времени  определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные  спецификой выполняемой операции  и результатами предыдущих операций; опорную последовательность синхронизирующих  импульсов устройство управления  получает от задающего генератора  тактовых импульсов, частота следования которых в основном и определяет быстродействие ПЭВМ.

    - арифметико-логическое устройство (АЛУ): предназначено для выполнения  всех арифметических и логических  операций над числовой и символьной информацией.

    Обычно  эти два устройства (АЛУ и УУ) выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.

    - микропроцессорная память (МПП): предназначена  для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно  в ближайшие такты работы машины  участвующей в вычислениях. МПП  используется для обеспечения  высокого быстродействия машины, ибо основная память (оперативное  и постоянное запоминающие устройства) не всегда обеспечивают скорость  записи, поиска и считывания информации, необходимую для обработки ее  в процессоре с высоким быстродействием. 

    - интерфейсная система микропроцессора  включает в себя регистры буфера  команд  для хранения очередных  команд выполняемой программы,  аппаратуру для подключения к  микропроцессору портов ввода-вывода (ПВВ) внешних устройств и схемы  управления шиной - внутримашинным  системным интерфейсом.  

    Через интерфейсную систему, основу которой  составляет системная шина персонального  компьютера, микропроцессор соединяется  с:

    а)  Основной памятью компьютера:

    -   оперативное запоминающее устройство (RAM) хранит работающую программу и данные;

    Память RAM - это массив кристаллических ячеек, способных сохранять данные. Она  используется для оперативного обмена информацией (командами и данными) между процессором, внешней памятью  и периферийными системами. Из нее  процессор берет программы и  данные для обработки, в нее записываются полученные результаты. Название "оперативная" происходит от того, что она работает очень быстро и процессору не нужно ждать при считывании данных из памяти или записи. Однако, данные сохраняются лишь временно при включенном компьютере, иначе они исчезают.  По физическому принципу действия различают динамическую память DRAM и статическую память SRAM. Оперативная память в компьютере размещена на стандартных панельках, которые называются модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате. 

    -  постоянное запоминающее устройство (ROM)  - хранит информацию, которая  необходима для постоянной работы. В момент включения компьютера в его оперативной памяти отсутствуют любые данные, поскольку оперативная память не может сохранять данные при отключенном компьютере. Но процессору необходимы команды, в том числе и сразу после включения. Поэтому процессор обращается по специальному стартовому адресу, который ему всегда известен, за своей первой командой. Этот адрес указывает на память, которую принято называть постоянной памятью ROM или постоянным запоминающим устройством (ПЗУ). Микросхема ПЗУ способна продолжительное время сохранять информацию, даже при отключенном компьютере. Говорят, что программы, которые находятся в ПЗУ, "зашиты" в ней - они записываются туда на этапе изготовления микросхемы. Комплект программ, находящийся в ПЗУ образовывает базовую систему ввода/вывода BIOS (Basic Input Output System).

    Основное  назначение этих программ состоит в  том, чтобы проверить состав и  трудоспособность системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жесткими и гибкими дисками. 
 

    RAM и ROM разбиты на ячейки, каждой  из которых присвоен порядковый  номер (адрес).

    б)  Внешней памятью;

    в)  С монитором через видеоадаптер.

    г)  С принтером через адаптер  принтера.

    д)  С источником питания.

    ж)  С каналом связи через сетевой  адаптер.

        Сетевой адаптер дает возможность  подключить компьютер в локальную  сеть. При этом пользователь может  получать доступ к данным, находящимся  на других компьютерах.

    з)  С таймером (таймер – внутренние электронные часы, которые подключены к автономному источнику питания (аккумулятору), продолжающий работать даже после отключения машины от питающей сети).

    и)  Микропроцессор через интерфейс  связан с клавиатурой, а также  имеет генератор тактовых импульсов, который генерирует последовательность электрических импульсов, а частота  этих импульсов определяет тактовую частоту машины (ее быстродействие). 

    Периферийная  часть.

    Периферийную  часть компьютера образует совокупность внешних запоминающих устройств (ВЗУ) и устройств  ввода-вывода информации. Так как существует достаточно много разнообразных периферийных устройств, каждый ПК может быть укомплектован по-разному и иметь в своем составе те или иные периферийные устройства. Поэтому принято говорить о конфигурации компьютера, понимая под этим термином конкретный состав его устройств с учетом их характеристик.

    Периферийное  устройство (ПУ) – любое устройство, конструктивно отделенное от центральной  части компьютера, имеющее собственное  управление и выполняющее запросы  микропроцессора без его непосредственного  вмешательства.

    Различные типы периферийных устройств, подключаемых к компьютерной системе, играют важную роль в ее работе.  Производительность и эффективность использования  ПК определяются не только возможностями  его процессора и характеристиками ОП, но в большей степени составом его периферийных устройств, их техническими данными, а также способом организации  их совместной работы с центральной  частью ПК. Широкий ассортимент выпускаемых  периферийных устройств позволяет  выбирать те из них, с которыми профессиональные компьютеры используются наиболее эффективно в различных областях деятельности.

    Внешние устройства (ВУ). Это важнейшая составная  часть любого вычислительного комплекса. Достаточно сказать, что по стоимости  ВУ иногда составляют 50 - 80% всего ПК. От состава и характеристик ВУ во многом зависят возможность и эффективность применения ПК в системах управления и в народном хозяйстве в целом.

    ВУ  ПК обеспечивают взаимодействие машины с пользователями, объектами управления и другими ЭВМ. ВУ весьма разнообразны и могут быть классифицированы по ряду признаков. Так, по назначению можно  выделить следующие виды ВУ:

• внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК;
• диалоговые средства пользователя;
• устройства ввода информации;
• устройства вывода информации;
• средства связи и телекоммуникации.

    Для хранения больших объемов информации, которые не используются в данный момент времени процессором, предназначаются  накопители/внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

      К ним относятся: винчестеры (жесткие  магнитные диски), оптические диски,  магнитно-оптические диски, флоппи  диски, Zip and Jaz Iomega discs (относительно  новые носители информации, которые  призваны заменить гибкие магнитные  диски. Они быстрые и большие  по емкости (100 мегабайт - Zip, 1 гигабайт - Jaz)), магнитные ленты. Для подключения  к системной шине различных  внешних устройств существуют  устройства – порты. Различают  несколько типов портов: внутренний (таймерный), клавиатурный, коммуникационный, игровой (джойстик).