Структура современных персональных компьютеров

системный процессор память компьютер Компьютер (от англ. computer — «вычислитель») — программируемое электронное устройство, предназначенное для обработки и хранения (накопления) информации. По размеру, быстродействия, объему памяти современные компьютеры принято делить на следующие классы:

• 1) суперкомпьютеры;
• 2) большие компьютеры;
• 3) миникомпьютеры (персональные);
• 4) микрокомпьютеры.

Персональный компьютер (стандартная аббревиатура — «ПК») — компьютер, предназначенный для эксплуатации одним пользователем, то есть для личного использования. К ПК можно отнести также и любой другой компьютер, используемый конкретным человеком в качестве своего личного компьютера. Также персональный компьютер — это настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения. Подавляющее большинство людей используют в качестве ПК настольные и различные переносные компьютеры.

ПК имеют различные формы:

• · стационарные ПК, не предназначенные для переноски (настольные, «desktop»; «башенные», «tower»; моноблоки);
• · нестандартные конструкции («barebone», промышленнй ПК, тихий ПК, компактный ПК, хакинтош).
• · мобильные (переносимые) ПК (ноутбук, планшетный ПК, карманный ПК);

Конфигурацию ПК можно изменять по мере необходимости. Но, существует понятие базовой конфигурации, которую можно считать типичной:

• · системный блок;
• · монитор;
• · клавиатура;
• · мышка.

В случае, если ПК выполнен в портативном варианте, системный блок, монитор и клавиатура размещены в одном корпусе: системный блок находится под клавиатурой, а монитор встроен в крышку.

Системный блок — основная составляющая ПК, в которой находятся важнейшие компоненты (внутренние, находящиеся в середине системного блока и внешние или периферийные, подсоединенные извне), которые будут описаны ниже.

По внешнему виду, системные блоки отличаются формой корпуса, который может быть горизонтального (desktop) или вертикального (tower) выполнение. Корпусы вертикального выполнения могут иметь разные размеры: полноразмерный (BigTower), среднеразмерный (MidiTower), малоразмерный (MiniTower). Корпусы горизонтального выполнения бывают двух форматов: узкий (Full-AT) и очень узкий (Baby-AT). Корпусы персональных компьютеров имеют разные конструкторские особенности и дополнительные элементы (элементы блокировки несанкционированного доступа, средства контроля внутренней температуры, шторки от пыли).

Корпусы поставляются вместе с блоком питания, мощность которого является одним из параметров корпуса.

Основные узлы системного блока:

• · системная плата;
• · блок питания;
• · накопитель на жестком магнитном диске;
• · накопитель на гибком магнитном диске;
• · накопитель на оптическом диске;
• · разъемы для дополнительных устройств.

Основной платой ПК является материнская плата (MotherBoard). На ней расположены:

• · процессор — основная микросхема, выполняющая математические и логические операции;
• · чипсет (микропроцессорный комплект) — набор микросхем, которые руководят работой внутренних устройств ПК и определяют основные функциональные возможности материнской платы;
• · шины — набор проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;
• · оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) — набор микросхем, предназначенных для временного сохранения данных, пока включен компьютер;
• · постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) — микросхема, предназначенная для долговременного хранения данных, даже при отключенном компьютере;
• · разъемы для подсоединения дополнительных устройств (слоты).

Структура компьютера — это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.

Основу любого компьютера составляют процессор, память, устройства ввода-вывода.

Рассмотрим наиболее распространенную структурную схему, которая лежит в основе наиболее часто встречающихся моделей компьютеров, в частности персональных.

Модульность, магистральность, микропрограммируемость, используется при разработке практически любой модели компьютера.

Модульность — это построение компьютера на основе набора модулей. Модуль представляет собой конструктивно и функционально законченный электронный блок в стандартном исполнении. Это означает, что с помощью модуля может быть реализована какая-то функция либо самостоятельно, либо совместно с другими модулями. Также под модулем в общем случае понимают функционально законченный элемент системы, который предполагает возможность без труда заменить его на другой при наличии заданных интерфейсов. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

Принцип модульности (агрегатирования) состоит в рациональном разделении системы, устройства на совокупность более простых функционально и конструктивно законченных блоков (модулей) с целью совершенствования им технических характеристик, а также обеспечения воспроизводительных способов производства и обслуживания.

Магистральность — это способ связи между различными модулями компьютеров, т. е. все входные и выходные устройства подсоединены одними и теми же проводами, называемыми шинами. Магистраль компьютера состоит из нескольких групп шин, объединенных по функциональному признаку.

Отличительная черта структуры персонального компьютера состоит в наличии системной шины, посредством которой взаимодействуют и обмениваются информацией все его устройства. Именно возможность соединения устройств и плат, непосредственно участвующих в обработке информации (процессор, оперативная память) с остальными устройствами единой магистралью — шиной — реализует принцип, как правило, используемый в современных персональных компьютерах — принцип «открытой архитектуры». Суть этого принципа в возможности постоянного усовершенствования компьютера в целом и его отдельных частей с использованием новых устройств, которые полностью совместимы друг с другом независимо от фирмы-производителя.

Шина — это канал пересылки данных, используемый совместно различными блоками системы. Тип шины является важной характеристикой компьютера, которая наряду с типом основного микропроцессора определяет возможности и диапазон применимости компьютера. Шина входит в состав материнской платы.

Упрощенно системную шину можно представить как совокупность сигнальных линий, объединенных, но назначению (данные, адреса, управление). Шинами данных служат провода, по которым передается только информация, шинами адреса-провода, по которым передаются адреса ячеек и участков памяти, шинами управления-провода, по которым передаются управляющие сигналы. Максимальное количество одновременно передаваемой информации называется разрядностью шины. Чем больше разрядность шины, тем больше информации она может передать в единицу времени.

Подключение отдельных модулей компьютера к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, адаптеров, а на программном — обеспечивается драйверами.

Создание современных средств вычислительной техники связано с задачей объединения в единый комплекс различных блоков компьютера, устройств хранения и отображения информации, аппаратуры передачи данных. Эта задача возлагается на интерфейсы.

Термин «интерфейс» обычно трактуется как синоним слова «сопряжения» и понимается как совокупность схемотехнических средств, обеспечивающих непосредственное взаимодействие составных элементов устройства, системы. Нередко это определение используется для обозначения составных компонентов интерфейса. В одних случаях под интерфейсом понимают программные средства, обеспечивающие взаимодействие программ операционной системы, в других — устройства сопряжения, обеспечивающие взаимосвязь между составными функциональными блоками или устройствами системы. В основе построения интерфейсов лежат унификация и стандартизация (использование единых способов кодирования данных, форматов данных, стандартизация соединительных элементов — разъемов и т. д.). Именно совокупность интерфейсов, реализованных в компьютере, образует архитектуру компьютера Интерфейс — это совокупность аппаратуры сопряжения и программных средств для организации связи устройств компьютера и самих компьютеров. Аппаратуру сопряжения составляют электронные модули и шины предназначенные для выполнения различных функций. Организует работу аппаратуры сопряжения по передаче информации комплекс специальных программ.

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).