Компьютер как исполнитель команд

 

Магистрально-модульный принцип построения компьютера

В основу архитектуры современных персональных компью­теров положен магистрально-модульный принцип. Этот принцип предусматривает построение компьютера из функ­циональных блоков, взаимодействующих посредством общего канала (каналов) — шины. В сочетании с открытой (общеизве­стной) архитектурой это позволяет потребителю собирать ма­шину нужной конфигурации.

Магистраль включает в себя три многоразрядные шины; шину данных, шину адреса и шину управления, которые представляют собой многопроводные линии (рис 4).

 

 

 

Рис 4 Магистрально-модульное устройство компьютера

К ма­гистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией в форме по­следовательностей нулей и единиц, реализованных в виде электрических импульсов.

Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из опера­тивной памяти данные могут быть переданы процессору для об­работки, а затем полученные данные могут быть отправлены об­ратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству через области оперативной памяти.

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т. е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. Разрядность процессо­ров постоянно увеличивалась по мере развития компьютерной техники и в настоящее время составляет 64 бита.

Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине дан­ных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройст­вам (однонаправленная шина).

Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти, т. е. количество ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых яче­ек памяти можно рассчитать по формуле:

N = 2^I, где I — разрядность шины адреса.

Разрядность шины адреса постоянно увеличивалась и в процессорах Pentium Extreme Edition составляет 64 бита. Та­ким образом, количество адресуемых ячеек памяти в таких процессорах равно:

N = 2⁶⁴ ячеек.

Шина управления. По шине управления передаются сиг­налы, определяющие характер обмена информацией по маги­страли. Сигналы управления определяют, какую операцию — считывание или запись информации из памяти нужно произво­дить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т. д.

Системная плата. Важнейшим аппаратным компонентом компьютера является системная плата (рис. 5, 6).

Рис 5 Системная плата

 

 

На сис­темной плате реализована магистраль обмена информацией, имеются разъемы для установки процессора, слоты для установки оперативной памяти, а также контроллеров внешних устройств.

 

 

Рис 6 Логическая схема системной платы

 

 

Пропускная способность. Быстродействие устройства за­висит от тактовой частоты тактового генератора (обычно из­меряется в мегагерцах — МГц) и разрядности, т. е. количест­ва битов данных, которые устройство может обрабатывать или передавать одновременно (измеряется в битах). Дополни­тельно в устройствах используется внутреннее умножение ча­стоты с разными коэффициентами.

Соответственно, скорость передачи данных (пропускная способность) соединяющих эти устройства шин также должна различаться. Пропускная способность шины данных (измеряет­ся в бит/с) равна произведению разрядности шины (измеряется в битах) и частоты шины (измеряется в Гц = 1/с):

 

Пропускная способность шины = Разрядность шины х Частота шины.

 

Северный и южный мосты. Для согласования тактовой частоты и разрядности устройств на системной плате устанав­ливаются специальные микросхемы (их набор называется чипсетом), включающие в себя контроллер оперативной па­мяти и видеопамяти (так называемый северный мост) и конт­роллер периферийных устройств (южный мост).

Частота процессора. Северный мост обеспечивает обмен данными с процессором, оперативной памятью и видеопамя­тью. Частота процессора в несколько раз больше, чем базовая частота магистрали (иногда ее называют шиной FSB от англ. FrontSide Bus). Например, в наиболее быстрых компьютерах (2006 год) частота шины FSB составляет 266 МГц, коэффици­ент умножения частоты 14, следовательно, частота процессо­ра 266 МГц х 14 » 3,7 ГГц.

Системная шина. Между северным мостом и процессором данные передаются по системной шине с частотой, которая в четыре раза больше частоты шины FSB. Таким образом, про­цессор может получать и передавать данные с частотой 266 МГц х 4 = 1064 МГц. Так как разрядность системной шины равна разрядности процессора и составляет 64 бита, то пропу­скная способность системной шины равна:

 

64 бит х 1064 МГц = 68 096 Мбит/с ≈ 66 Гбит/с ≈ 8 Гбайт/с.

 

Шина памяти. Обмен данными между процессором и опе­ративной памятью производится по шине памяти, частота которой может быть меньше, чем частота шины процессора. Например, частота шины памяти может составлять 533 МГц, т. е. оперативная память получает данные в два раза реже, чем процессор. Так как разрядность шины памяти равна разрядности процессора и составляет 64 бита, то пропу­скная способность шины памяти равна:

 

64 бит х 533 МГц = 34 112 Мбит/с ≈ 33 Гбит/с ≈ 4 Гбайт/с.

 

Шины AGP и PCI Express. По мере усложнения графики приложений требования к быстродействию шины, связываю­щей видеопамять с процессором и оперативной памятью, воз­растают. Для подключения видеоплаты к северному мосту мо­жет использоваться 32-битовая шина AGP (Accelerated Graphic Port — ускоренный графический порт). Эта шина первоначально передавала данные с частотой 66 МГц, в насто­ящее время возможно использование шины AGPx8, частота которой 66 МГц х 8 = 528 МГц. В этом случае пропускная способность шины видеоданных составляет:

 

32 бит х 528 МГц = 16 896 Мбит/с = 16,5 Гбит/с ≈ 2 Гбайт/с.

 

В настоящее время для подключения видеоплаты к се­верному мосту все большее распространение получает шина PCI Express (Peripherial Component Interconnect bus Express — уско­ренная шина взаимодействия периферийных устройств). Про­пускная способность этой шины значительно выше пропуск­ной способности PCI и AGP.

К видеоплате с помощью аналогового разъема VGA (Video Graphics Array — графический видеоадаптер) или цифрового разъема DVI (Digital Visual Interface — цифровой видеоинтер­фейс) подключается электронно-лучевой или жидко- кристал­лический монитор или проектор.

Шина PCI. К северному мосту подключается по специаль­ной шине южный мост, к которому, в свою очередь, подклю­чаются периферийные устройства. Шина PCI (Peripherial Component Interconnect bus — шина взаимодействия перифе­рийных устройств) обеспечивает обмен информацией с конт­роллерами периферийных устройств, которые устанавливают­ся в слоты расширения системной платы.

Наиболее часто эта шина используется для установки устройств доступа к локальной сети (сетевая карта), глобальной сети Интернет (встроенный модем) и беспроводной сети (сете­вой адаптер Wi-Fi, произносится «вай-фай», сокр. от Wire­less Fidelity — протокол и стандарт на оборудование для ши­рокополосной радиосвязи).

Разрядность шины PCI может составлять 32 бита pi л и 64 бита, а частота — 33 МГц или 66 МГц. Таким образом, мак­симальная пропускная способность шины PCI составляет:

 

64 бит х 66 МГц = 4224 Мбит/с = 528 Мбайт/с.

 

Шина IEEE 1394 (другие названия Fire Wire, i-Link). По­следовательная высокоскорфстная шина, предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и цифро­выми устройствами (цифровыми видеокамерами, DVD-плее­рами и др.) без потери качества изображения и звука. (Эту функцию может выполнять также контроллер IEEE 1394, ко­торый подключается к шине PCI.) Скорость Передачи данных по этой шине может достигать 200 Мбайт/с и более.

Шина АТА. Устройства внешней памяти (жесткие диски, CD- и DVD-дисководы) подключаются к южному мосту по шине АТА (англ. Advanced Technology Attachment — шина подключения накопителей). Ранее использовалась парал­лельная шина РАТА (англ. Parallel АТА), скорость передачи данных по которой может достигать 133 Мбайт/с. В настоя­щее время широкое распространение получила последо­вательная шина SAT А (англ. Serial АТА), скорость передачи данных по которой может достигать 300 Мбайт/с.

Шина USB. Для подключения принтеров, сканеров, циф­ровых камер и других периферийных устройств обычно исполь­зуется шина USB (Universal Serial Bus — универсальная по­следовательная шина). Эта шина обладает пропускной способностью до 60 Мбайт/с и обеспечивает подключение к компьютеру одновременно нескольких периферийных устройств (принтер, сканер, цифровая камера, Web-камера, модем и др.).

Клавиатура и мышь. Клавиатура и мышь подключаются с помощью порта PS/2 или шины USB (в том числе с помо­щью беспроводного адаптера).

Звук. К южному мосту может подключаться интегриро­ванная в системную плату микросхема, которая обеспечивает обработку цифрового звука (эту функцию может выполнять также звуковая плата, которая подключается к шине PCI). С помощью аудиоразъемов к системной плате могут подключа­ться микрофон, колонки или наушники.

Как работает компьютер, или принципы фон Неймана(рис 7)

В своем докладе Джон фон Нейман описал, как должен быть устроен компью­тер для того, чтобы он был универсальным и эффективным устройством для обработки информации.

Прежде всего, компьютер должен иметь следующие устройства:

· арифметическо-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;

· устройство управления, которое организует процесс выполнения про­грамм;

· запоминающее устройство, или память для хранения программ и дан­ных;

· внешние устройства для ввода-вывода информации.

 

Рис 7 Схема фон Неймана

 

Память компьютера должна состоять из некоторого количества пронумерован­ных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые дан­ные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легко доступны для других устройств компьютера.

Вот каковы должны быть связи между устройствами компьютера (одинарные линии показывают управляющие связи, двойные — информационные).

В общих чертах работу компьютера можно описать так. Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа. Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Эта ко­манда может задавать выполнение ифметических или логических операций, чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций или запись их результатов в память, ввод данных из внешнего ус­тройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство.

Как правило, после выполнения одной команды устройство управления начи­нает выполнять команду из ячейки памяти, которая находится непосредствен­но за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть из­менен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды ука­зывают устройству управления, что ему следует продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в некоторой другой ячейке памя­ти. Такой «скачок», или переход, в программе может выполняться не всегда, а только при выполнении некоторых условий, например, если некоторые числа равны, если в результате предыдущей арифметической операции получился нуль и т.д. Это позволяет использовать одни и те же последовательности ко­манд в программе много раз (т.е. организовывать циклы), выполнять различ­ные последовательности команд в зависимости от выполнения определенных условий и т.д., т.е. создавать сложные программы.

Таким образом, управляющее устройство выполняет инструкции программы автоматически, т.е. без вмешательства человека. Оно может обмениваться ин­формацией с оперативной памятью и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства, как правило, работают значительно медлен­нее, чем остальные части компьютера, управляющее устройство может при­останавливать выполнение программы до завершения операции ввода-вывода с внешним устройством. Все результаты выполненной программы должны быть ею выведены на внешние устройства компьютера, после чего компьютер пере­ходит к ожиданию каких-либо сигналов внешних устройств.

Следует заметить, что схема устройства современных компьютеров несколько отличается от приведенной выше. В частности, арифметическо-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в единое устройство — центральный процессор. Кроме того, процесс выполнения про­грамм может прерываться для выполнения неотложных действий, связанных с поступившими сигналами от внешних устройств компьютера — прерываний. Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах. Тем не менее, большинство со­временных компьютеров в основных чертах соответствуют принципам, изло­женным фон Нейманом.

 

Контрольные вопросы:

1.Какие шины включает в себя магистраль?

2.Для чего нужна шина данных?

3.Что находится на системной плате?

4.Чему равна пропускная способность шины?

5.Что включает в себя северный мост?

6.Для чего нужна шина памяти?

7.Для чего используется шина PCI?

8.Как работает компьютер по фон Нейману?

 

2.2.2 Хранение информационных объектов

 

Внешняя память

В отличие от оперативной, внутренней памяти компьютера, существует так называемая внешняя па­мять. Внешняя память может состоять из нескольких элементов. Устройства, позволяющие записывать информацию на дискеты и считывать ее с дискет, называются дисково­дами.(Рис 8).

Рис 8Внешняя память