Архитектура персонального компьютера. Назначение основных узлов. Функциональные характеристики персонального компьютера
Компьютер - это многофункциональное электронное устройство, предназначенное для накопления, обработки и передачи информации.
Напомним, что в основу построения персональных компьютеров положены принципы, сформулированные Джоном фон Нейманом:
1. Принцип программного управления - программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
2. Принцип однородности памяти - программы и данные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.
3. Принцип адресности - основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек.
Под архитектурой компьютера понимается его логическая организация, структура и ресурсы, т.е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделены пользователю для процесса обработки данных. Компьютеры, построенные на этих принципах, имеют классическую архитектуру, которая и называется архитектурой Фон Неймана.
Структура ЭВМ, изобретенная Фон Нейманом состоит из трех принципиально важных устройств: памяти, устройства управления (УУ) и арифметически-логического устройства (АЛУ).
Память представляет собой устройство табличной структуры, предназначенное для хранения символов. Символы хранятся в ячейках. Каждая ячейка имеет свой адрес, по которому к ней можно обратиться, взять из нее символ, стереть его или записать новый символ. Часть символов, которые хранятся в памяти, предназначены для их обработки (манипуляции – логические операции сложения, умножения и т.д.) на ЭВМ. Они называются (как отмечалось в первой главе) данными. Часть символов, которые тоже хранятся в памяти ЭВМ, используются для указания для других устройств (УУ и АЛУ) какой тип манипуляций надо совершить над данными, по какому адресу обратиться, чтобы взять нужные данные и куда (по какому адресу записать) поместить результат манипуляций над данными. Эта часть символов называется машинными командами и их совокупность, определяющая порядок работы ЭВМ, называется программой.
Арифметически-логическое устройствовыполняет манипуляциисданными (символами),которые извлекаются изпамяти ЭВМ.
Устройство управления обращается к той части памяти, где хранятся команды и в соответствии с этими командами управляет манипуляциями (действиями) которые выполняет арифметически-логическое устройство.
Принципиальная структура ЭВМ, предложенная Фон Нейманом состоит из этих трех устройств. Она лежит в основе конструкции важнейшего компонента современного персонального компьютера, который называется центральным процессором.Процессор, выполненный с помощью современных технологий микроэлектроники, называется микропроцессором. Память ЭВМ из конструкторских соображений разбита на три составляющих. Память, которая расположена рядом с АЛУ, называется микропроцессорной памятью. Она входит в состав центрального процессора и отличается очень высоким быстродействием, но малым объемом. Согласно принципу иерархичности памяти существует еще один вид памяти не входит в состав процессора, но отличается достаточным быстродействием, называется основной памятью. И, наконец, память, которая отличается большим объемом на малым быстродействием называется внешней памятью.
Таким образом, архитектура компьютера определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера, к которым относятся (рис. 2.1):
- центральный процессор;
- основная память;
- внешняя память;
- периферийные устройства.
Конструктивно персональные компьютеры выполнены в виде центрального системного блока, к которому через специальные разъемы присоединяются другие устройства.
В состав системного блока входят все основные узлы компьютера:
- системная плата;
- блок питания;
- накопитель на жестком магнитном диске;
- накопитель на гибком магнитном диске;
- накопитель на оптическом диске;
- разъемы для дополнительных устройств.
Архитектура современных персональных компьютеров основана на магистрально-модульном принципе. Модульный принцип позволяет пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный принцип обмена информацией. Все контроллеры устройств взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, называемую системной шиной. Системная шина выполняется в виде печатного мостика на материнской плате.
.
Структурная схема персонального компьютера
 |
Системная шина является основной интерфейсной системой компьютера, обеспечивающей сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:
- между микропроцессором и основной памятью;
- между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
- между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств.
Порты ввода-вывода всех устройств через соответствующие разъемы (слоты) подключаются к шине либо непосредственно, либо через специальные контроллеры (адаптеры). На системной (материнской) плате (рис. 2.3) в свою очередь размещаются:
- микропроцессор;
- математический сопроцессор;
- генератор тактовых импульсов;
- микросхемы памяти;
- контроллеры внешних устройств;
- звуковая и видео карты;
- 
таймер.
Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками компьютера и состоит из оперативно- запоминающего устройства (ОЗУ) и постоянно запоминающего устройства (ПЗУ).
Внешняя память используется для долговременного хранения информации, которая может быть в дальнейшем использована для решения задач.
Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических символов, частота которых задает тактовую частоту компьютера. Промежуток времени между соседними импульсами определяет такт работы машины.
Источник питания - это блок, содержащий системы автономного и сетевого питания компьютера.
Таймер - это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие автоматический съем текущего момента времени. Таймер подключается к автономному источнику питания и при отключении компьютера от сети продолжает работать.
Внешние устройства компьютера обеспечивают взаимодействие компьютера с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими компьютерами.
Основными функциональными характеристиками персонального компьютера являются:
1) Производительность, быстродействие, тактовая частота. Производительность современных ЭВМ измеряют обычно в миллионах операций в секунду.
2) Разрядность микропроцессора и кодовых шин интерфейса.Разрядность - это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК.
3) Типы системного и локальных интерфейсов.Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды.
4) Емкость оперативной памяти. Емкость оперативной памяти измеряется обычно в Мбайтах. Многие современные прикладные программы с оперативной памятью, имеющей емкость меньше 16 Мбайт просто не работают либо работают, но очень медленно.
5) Емкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера). Измеряется обычно в Гбайтах.
6)Тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках.
Сейчас применяются накопители на гибких магнитных дисках, использующие дискеты диаметром 3,5 дюйма, имеющие стандартную емкость 1,44.
7)Наличие, виды и емкость КЭШ-памяти. КЭШ-память - это буферная, недоступная для пользователя быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операции с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Наличие КЭШ-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность персонального компьютера примерно на 20%.
8) Тип видеомонитора и видеоадаптера.
9) Наличие и тип принтера.
10) Наличие и тип накопителя на компакт дисках CD ROM.
11) Наличие и тип модема.
12) Наличие и виды мультимедийных аудио-видео средств.
13) Имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы.
14) Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ. Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ означает возможность использования на компьютере, соответственно, тех же технических элементов и программного обеспечения, что и на других типах машин.
15) Возможность работы в вычислительной сети.
16) Возможность работы в многозадачном режиме.
Многозадачный режим позволяет выполнять вычисления одновременно по нескольким программам (многопрограммный режим) или для нескольких пользователей (многопользовательский режим).
17) Надежность. Надежность — это способность системы выполнять полностью и правильно все заданные ей функции.
18) Стоимость.
19) Габариты и вес.