Архитектура современного персонального компьютера.
Архитектура – состав устройств, включаемых в ПК, и организация их взаимодействия. Основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой называется общей шиной. Иначе говоря, общая шина это интерфейс объединения модулей в вычислительную систему. А фактически Общая шина или системная магистраль (ОШ, СМ) – пучок проводов, к которому подключются все блоки ПК. (интерфейс- стандарты связи и взаимодействия устройств между собой).
Минимальная (базовая) конфигурация ПКвключает в себя : 1)системный блок; 2)видеомонитор (дисплей); 3)клавиатуру; 4) и как правило, ручной манипулятор (чаще всего мышь). При расширенной конфигурации к ПК могут подключаться и другие внешние устройства: принтер, модем, сканер, звуковые колонки и т.д.
ПК строятся на основе принципа открытой архитектуры: не единая, жесткая конструкция, а возможность гибкого подключения разных устройств и замены этих устройств на новые модификации (upgrade). Например, можно устанавливать дополнительные блоки оперативной памяти и жесткие диски. В частности, можно использовать блоки разных производителей (с едиными стандартами связи и взаимодействия – интерфейсом).
Основной частью ПК является системный блок (Рисунок 3). В системном блоке размещаются основные элементы: 1)системная (материнская) плата (СП); 2)жесткий диск (винчестер); 3)порты – разъемы для подключения внешних устройств; 4)дисководы; 5)блок питания с вентилятором (преобразует переменный ток в постоянный).
На системной (материнской) плате устанавливаются: 1)микропроцессор (МП); 2)основная (внутренняя) память (=ОЗУ+ПЗУ+Полупостоянная(CMOS)); 3)таймер (с аккумулятором) ведущий отсчет времени (и при выключенном ПК); 4)генератор тактовых импульсов(ГТИ); 5)контроллер прерываний; 6)пучки проводов (шины, информационные магистрали), обеспечивающие связь между этими блоками.
МП (центральный процессор ПК) – основа ПК – обеспечивает собственно обработку информации (данных, чисел). Состоит из управляющего устройства (что и в каком порядке делать) и арифметико-логического устройства, выполняющего сами операции.
1)Все операции выполняются над машинными словами двоичными числами (из 0 и 1) расположенными в специальных ячейках процессора – регистрах.
2)Из ОЗУ берется машинная команда. В трехадресной команде (бывают одно и двухадресные):
-
01
|
0205
|
3214
|
4671
|
Код операции (сложение)
|
Адрес 1-го операнда
|
Адрес 2-го операнда
|
Адрес результата
|
3)Операнд – число из ячейки ОЗУ (или, иногда, указанное в самой МК).
4)Операции – элементарные: сложение, умножение и т.п. двоичных чисел. Все возможности ЭВМ сводятся к ним.
5)В результате выполнения команды определяется по какому адресу ОЗУ брать следующую команду (подряд или БуП или УП).
Каждая операция выполняются за несколько шагов (тактов), которые производятся сразу над несколькими числами. Шаги должны быть синхронизированны.
Рисунок 3 – Структура системного блока персонального компьютера
Для синхронизации операций используется генератор тактовых импульсов (ГТИ) – специальная микросхема на СП, которая выдает строго определенное число импульсов в секунду – тактовая частота процессора. Любая операция (например, арифметическая) выполняется за 1 или несколько (3–4) тактов. У ГТИ – та же роль, что у маятника в механических часах. Быстродействие МП, кроме тактовой частоты, зависит от разрядности процессора – числа бит в регистрах, которые обрабатываются параллельно за 1 шаг (такт). Самые большие затраты времени МП получаются при обмене данными с ОЗУ, поэтому процессор снабжают «промежуточной», сверхоперативной – кэш-памятью( действующим хранилищем копий блоков основной памяти, с которыми процессор работает в данный момент). Это позволяет быстро обращаться к содержимому отдельных ячеек. Кэш-память первого уровня (самая маленькая и быстрая) в одном кристалле с МП, второго на отдельном кристалле в одном узле с МП, третьего – быстродействующие микросхемы на СП вблизи МП.
Для ускорения работы к МП подключаются сопроцессоры – вспомогательные специализированные процессоры, которые могут выполнять только операции определенного типа, но очень быстро: математический, графический, ввода-вывода. Например, математический сопроцессор реализует в виде специальных электронных схем вычисление стандартных функций (логарифм, корень), каждую из которых иначе пришлось бы считать большим количеством элементарных сложений, умножений и т.п.
Быстродействие процесора – число операций в секунду (флопсы) измеряется на стандартных тестовых задачах. Величина условная, зависит от состава теста – у одних быстрее сложение, у других обмен с ОЗУ и т.п. (аналогия с прожиточным минимумом и инфляцией). У современных ПК составляет десятки – сотни Мегафлопс (миллионов оп/сек). На суперкомпьютерах достигнуты рекордные значения 50 Терафлопс – 50 триллионов оп/сек, планируется 10 Петафлопс – 10*1000 триллионов оп/сек.
Таким образом, быстродействие МП зависит от его характеристик:
1)Тактовая частота – сейчас до нескольких миллиардов тактов в сек (ГГц);
2)Разрядность процессора – обычно 32 или 64 бита;
3)Объемы кэш-памяти – сейчас 1 уровень десятки Кб, 2 – до 2 Мб, 3 – несколько Мб. Считается, что кэш-память 256 КБ увеличивает производительность ПК на 20%.
Основные фирмы, которые производят центральные процессоры для ПК это Intel, AMD, IBM
ПК параллельно выполняет несколько задач (программ, процессов). В любой момент может поступить сигнал от внешних устройств (принтер – кончилась бумага, клавиатура – прекратить расчет, переключиться в другое окно). Нужно выполнить прерывание – остановить одни задачи (запомнив состояние и промежуточные результаты), запустить новые программы (выдать сообщение о бумаге на экран). Всё это координируется специальным управляющим устройством на СП – контроллером прерываний (КП).
Различные устройства подключаются к СП через специальные разъемы (гнезда или слоты). В них вставляются конкретные платы, называемые контроллером или адаптером, обеспечивающие управление этими устройствами (монитором, принтером, мышью, дисководами и т.д.). Контроллер клавиатуры обычно устанавливается непосредственно на СП. (Control – управление, а не только контроль.) Для управления каждым внешним устройством кроме контроллера нужна своя программа – драйвер, которая хранится либо в памяти ПК, либо в специальной памяти контроллера. Для обеспечения связи между устройствами на СП, а также их связи с подключенными через слоты и контроллеры другими устройствами могут использоваться: многосвязный интерфейс – каждая связь двух устройств отдельная линия или односвязный интерфейс – все устройства подключаются к единой линии.
СМ включает 4 основные линии (шины):
1)Шина данных для передачи операндов.
2)Шина адреса для передачи кодов ячеек памяти и портов.
3)Шина управления для передачи управляющих сигналов всем блокам.
4)Шина питания для передачи всем устройствам напряжения от блока питания.
Некоторые устройства осуществляют интенсивный обмен данными между собой (МП – Основная память, МП – Видеотерминал). Поэтому кроме СМ (ОШ) используют локальные шины, напрямую связывающие отдельные устройства. Например, USB шина - интерфейсная шина системного уровня. Позволяет подключать до 256 внешних устройств к одному каналу. Обеспечивает «горячее» подключение и отключение устройств к работающему компьютеру. Скорость передачи до 800 Мб/сек.
Применяют разные типы (конструкции, стандарты) шин, которые делят на:
1)Шины расширения – универсальные, можно подключать разные устройства.
2)Локальные шины, предназначенные для соединения конкретных типов устройств.
Реально все сложнее – первоначально локальные конструкции шин развивались и появлялась возможность подключения к ним других устройств.
Характеристики шин: 1)Рабочая частота – количество тактов передачи в секунду; 2)Скорость передачи данных (Мбайт/сек); 3)Разрядность шины данных–сколько бит может передаваться одновременно; 4)Разрядность адресной шины, от которой зависит адресное пространство – с какой емкостью ОЗУ можно работать: а) 24 разряда –> 224 байт = 16 Мбайт; б) 32 разряда –> 232 байт = 4 Гбайт.
Наиболее распространенные типы (стандарты) шин:
ISA (Industry Standard Architecture), использовалась в ранних ПК сейчас устарела. Рабочая частота 8 МГц, скорость передачи 5,5 Мб/сек, шина данных 16 разрядов, адресная – 24.
EISA (Extended ISA) – усовершенствованный вариант. Рабочая частота 10–20 МГц, скорость передачи до 32 Мб/сек, шины данных и адресная по 32 разряда.
VLB (VESA Local Bus – локальная шина стандарта VESA – Video Electronics Standards Association – Ассоциация стандартов видеооборудования) – локальная шина для связи МП и ОП, к которой потом стали подключать монитор. Рабочая частота до 50 МГц, скорость передачи до 50 Мб/сек, есть варианты с 32 и с 64 разрядами обеих шин.
PCI (Peripherial Component Iterconnect) – создана как локальная, но возможности расширены и теперь можно подключать разные устройства, в т.ч. шины EISA. Рабочая частота до 66 МГц. Варианты: 33МГц – 264 Мб/сек – 32 разряда; 66МГц – 528 Мб/сек – 64 разряда.
AGP (Advanced Graphic Port) – локальная для подключения монитора (видеоадаптера). Рабочие частоты 33 и 66 МГц, скорость передачи до 1066 Мб/сек.
USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная магистраль). Используется для подключения внешних устройств к СМ. Позволяет подключать до 256 внешних устройств к одному каналу. Обеспечивает «горячее» подключение и отключение устройств к работающему компьютеру. Скорость передачи до 800 Мб/сек.
|
