Внутренняя архитектура компьютера

Архитектура персонального компьютера, структура вычислительных систем. Программное обеспечение вычислительной техники.

Магистрально-модульный принцип построения компьютера

Под архитектурой компьютера понимается его логическая организация, структура, ресурсы, т. е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени. Архитектура современных ПК основана на магистрально- модульном принципе.

Модульный принцип позволяет потребителю самому подобрать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости его модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информации. Магистраль или системная шина — это набор электронных линий, связывающих воедино по адресации памяти, передачи данных и служебных сигналов процессор, память и периферийные устройства.

Обмен информацией между отдельными устройствами ЭВМ производится по трем многоразрядным шинам, соединяющим все модули, -- шине данных, шине адресов и шине управления.

Подключение отдельных модулей компьютера к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, а на программном обеспечивается драйверами. Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответствующее устройство смогло принять этот сигнал и отреагировать на него. За реакцию устройства процессор не отвечает -- что функция контроллера. Поэтому внешние устройства ЭВМ заменяемы, и набор таких модулей произволен.

Разрядность шины данных задается разрядностью процессора, т. е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт.

Данные по шине данных могут передаваться как от процессора к какому-либо устройству, так и в обратную сторону, т. е. шина данных является двунаправленной. К основным режимам работы процессора с использованием шины передачи данных можно отнести следующие: запись/чтение данных из оперативной памяти и из внешних запоминающих устройств, чтение данных с устройств ввода, пересылка данных на устройства вывода.

Выбор абонента по обмену данными производит процессор, который формирует код адреса данного устройства, а для ОЗУ -- код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине, причем сигналы передаются в одном направлении, от процессора к устройствам, т. е. эта шина является однонаправленной.

По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией, и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией.

Внешние устройства к шинам подключаются посредством интерфейса. Под интерфейсом понимают совокупность различных характеристик какого-либо переферийного устройства ПК, определяющих организацию обмена информацией между ним и центральным процессором. В случае несовместимости интерфейсов (например, интерфейс системной шины и интерфейс винчестера) используют контроллеры.

Чтобы устройства, входящие в состав компьютера, могли взаимодействовать с центральным процессором, в IBM-совместимых компьютерах предусмотрена система прерываний (Interrupts). Система прерываний позволяет компьютеру приостановить текущее действие и переключиться на другие в ответ на поступивший запрос, например, на нажатие клавиши на клавиатуре. Ведь с одной стороны, желательно, чтобы компьютер был занят возложенной на него работой, а с другой -- необходима его мгновенная реакция на любой требующий внимания запрос. Прерывания обеспечивают немедленную реакцию системы.

Внутренняя архитектура компьютера

Схема взаимодействия устройств ЭВМ представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема взаимодействий устройств компьютера согласно архитектуре фон Неймана

Обозначения:

УУ – устройство управления              АЛУ – арифметико-логическое устройство

Устройства ввода служат для занесения в оперативную память ЭВМ как текста программы, так и всех исходных данных.

В настоящее время разработан ряд типов устройств ввода. Если информация цифровая и буквенная, то для ввода используют клавиатуру. Скорость ввода информации с помощью клавиатуры ограничена возможностями человека – примерно 200 символов в минуту.

Если необходимо ввести графическую информацию, поместить в память какую-нибудь линию, используют панели графического ввода с контактными карандашами или световые перья. Имеются и устройства ввода речевой информации.

Среди устройств вывода довольно широко применяется принтеры (матричные, струйные, лазерные), плоттеры (графопостроители) и др. Результат работы ПК может быть показан на экране дисплея.

Устройство управления (УУ) обеспечивает координацию действий всех узлов машины в соответствии с программой.

В состав арифметико-логического устройства (АЛУ) входят все операции арифметики и ряд других операций (сравнения на равенство и неравенство, операции алгебры логики, команды условного перехода и т.п.).

В процессоре осуществляются все арифметические и логические операции над закодированной информацией. Процессор – устройство компьютера, осуществляющее обработку информации.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) служит для хранения выполняемой программы и основной части обрабатываемой информации. ОЗУ состоит из ячеек, каждая из которых имеет свой номер (адрес). ОЗУ работает под непосредственным управлением микропроцессора, все данные для которого непосредственно поступают только из ОЗУ. Оно обеспечивает хранение информации лишь в течение сеанса работы с ПК – после выключения компьютера из сети данные, хранимые в ОЗУ, теряются безвозвратно, то есть ОЗУ – энергозависимое устройство.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), в современной терминологии RОМ (Read Only Memory). Во многих ПК ПЗУ реализовано отдельной микросхемой, в которой при изготовлении ПК «зашиты» основные команды ввода/вывода, осуществляющие начальное взаимодействие аппаратного и программного обеспечения ПК. Этот вид памяти доступен лишь для чтения хранящейся в ней информации. После выключения питания компьютера, информация в ПЗУ сохраняется, то есть ПЗУ – энергоНЕзависимое устройство.

Внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) предназначено для долговременного хранения информации и характеризуются большим объемом памяти и низким по сравнению с ОЗУ быстродействием.

К подобным устройствам относятся:

·   накопители на гибких магнитных дисках, предназначенные для чтения/записи информации на гибкие диски (дискеты);

·   накопители на жестких магнитных дисках или винчестеры;

·   дисководы для работы с лазерными компакт-дисками;

·   стримеры, предназначенные чтения/записи информации на магнитные ленты;

·   магнито-оптические дисководы для работы с магнито-оптическими дисками.

    Накопители использующие флеш - память

Каждое из внешних устройств с помощью каналов связи подключается к устройству управления и процессору ПК.

Архитектура ЭВМ постоянно совершенствуется. На смену большим ЭВМ пришли мини-ЭВМ, а затем и персональные компьютеры (ПК). Сохраняя общие принципы архитектуры, каждая новая модель компьютеров обладает определенными отличительными признаками.

В состав современного персонального компьютера входит:

-    системный блок;

-    клавиатура;

-    монитор (см. рис. 2).

Рис. 2. Базовый комплект персонального компьютера

Кроме того, в состав ПК входят манипулятор “мышь”, принтер, джойстик, модем, сканер.