Принцип открытой архитектуры компьютера и современные тенденции развития. Классическая архитектура ПК. Основные особенности архитектуры современных ПК

В основу строения подавляющего большинства компьютеров положены общие принципы, которые были сформулированы в 1945 году. Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей общей статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В следствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. Основные тезисы этих принципов изложены ниже:

Использование двоичной системы исчисления в вычислительных машинах.
Программное управление ЭВМ.
Выборка программы по памяти осуществляется с помощью счетчика команд.
Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ.
Принцип адресности: элементы памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы.
Возможность условного перехода в процессе выполнения программы.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, которые принципиально отличаются от последних. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, то есть они могут работать без “счетчика команд”, который указывает текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-нибудь переменной, что хранится в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

3.2 Принцип работы машины фон Неймана

Машина фон Неймана - устройство, которое состоит из запоминающего устройства (памяти) ‒ ЗУ, арифметико-логического устройства ‒ АЛУ, устройства управления – УУ, а также устройств ввода и вывода (рис. 3.1).

Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние элементы памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных каморках. В любой программе последняя команда должна быть командой завершения работы.

Рисунок 3.1 – Схема машины фон Неймана

Команда состоит из указания, какую операцию нужно выполнить (из возможных операций на данном «железе») и адресов элементов памяти, где хранятся данные, над которыми нужно выполнить указанную операцию, а также адреса ячеек, куда нужно записать результат (если его нужно сохранить в ЗУ).

Арифметико-логическое устройство выполняет указанные командами операции над указанными данными.

Из арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное отличие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройстве вывода (принтер, монитор и др.) поступают так, как удобно человеку.

УУ руководит всеми частями компьютера. От устройства, которое управляет, на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии.

Устройство, которое управляет, содержит специальный регистр, который называется «Счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. УУ прочитывает из памяти содержимое элемента памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство – «Регистр команд». УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.

3.3 Архитектура и структура ПК

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, который включает описание предназначенных для пользователя возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и так далее. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Структура компьютера – это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые разные устройства – от основных логических узлов компьютера до простых схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Наиболее распространенными есть такие архитектурные решения (рис. 3.2):

Рисунок 3.2 – Существующие типы архитектур компьютеров

Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) – одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд – программа. Это однопроцессорный компьютер.

Контролер – устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

Многопроцессорная архитектура . Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины, которая имеет общую оперативную память и несколько процессоров, представленная на рис.3.2.

Многомашинная вычислительная система -несколько процессоров, которые входят в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется довольно широко. Однако эффект от употребления такой вычислительной системы может быть получен лишь при решении задач, которые имеют очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе. Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.

Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это значит, что множество данных может обрабатываться одной программой – то есть по одним потоком команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить лишь на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на разных однотипных наборах данных.

3.4 Строение компьютера

Персональным компьютером (ПК) называют сравнительно недорогой универсальный микрокомпьютер, рассчитанный на одного пользователя. Персональные компьютеры по обыкновению проецируются на основе принципа открытой архитектуры.

Принцип открытой архитектуры состоит в следующем:

регламентируются и стандартизируются лишь описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер можно собрать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-производителями;
компьютер легко расширяется и модернизируется за счет наличия внутренних расширяющих гнезд, в которые пользователь может вставлять всяческие устройства, которые удовлетворяют заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины согласно своим личным преимуществам.

Упрощенная блок-схема, которая отображает основные функциональные компоненты компьютерной системы в их взаимосвязи, представлена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 – Общая структура персонального компьютера

Интерфейс – это средство согласования двух приборов, в которых все физические и логические параметры соглашаются между собой.

Если интерфейс есть общепринятым, например, утвержденным на уровне международных соглашений, то он называется стандартным. Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связанный с шиной определенного типа – адресной, управляющей или шиной данных. Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не непосредственно, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты приблизительно по такой схеме (рис. 3.4):

Рисунок 3.4 – Схема подключения прибора к шины

Контролерами и адаптерами являются наборы электронных цепей, которыми обеспечиваются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контролеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

Портами называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы). Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами – побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно

Архитектура персонального компьютера

Введение

Компьютер (англ. computer - вычислитель) представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами.

Существует два основных класса компьютеров:

цифровые компьютеры, обрабатывающие данные в виде числовых двоичных кодов;
аналоговые компьютеры, обрабатывающие непрерывно меняющиеся физические величины (электрическое напряжение, время и т. д.), которые являются аналогами вычисляемых величин.

Поскольку в настоящее время подавляющее большинство компьютеров являются цифровыми, далее будем рассматривать только этот класс компьютеров и слово "компьютер" употреблять в значении "цифровой компьютер". Основу компьютеров образует аппаратура (HardWare), построенная, в основном, с использованием электронных и электромеханических элементов и устройств. Принцип действия компьютеров состоит в выполнении программ (SoftWare) - заранее заданных, четко определённых последовательностей арифметических, логических и других операций.

Любая компьютерная программа представляет собой последовательность отдельных команд. Команда - это описание операции, которую должен выполнить компьютер. Как правило, у команды есть свой код (условное обозначение), исходные данные (операнды) и результат. Например, у команды "сложить два числа" операндами являются слагаемые, а результатом - их сумма. А у команды "стоп" операндов нет, а результатом является прекращение работы программы. Результат команды вырабатывается по точно определенным для данной команды правилам, заложенным в конструкцию компьютера. Совокупность команд, выполняемых данным компьютером, называется системой команд этого компьютера.

Компьютеры работают с очень высокой скоростью, составляющей миллионы – сотни миллионов операций в секунду.

Персональные компьютеры, более чем какой-либо другой вид ЭВМ, способствуют переходу к новым компьютерным информационным технологиям, которым свойственны:

дружественный информационный, программный и технический интерфейс с пользователем;
выполнение информационных процессов в режиме диалога с пользователем;
сквозная информационная поддержка всех процессов на основе интегрированных баз данных;
так называемая “безбумажная технология”.

Компьютер - это многофункциональное электронное устройство для накопления, обработки и передачи информации. Под архитектурой компьютера понимается его логическая организация, структура и ресурсы, т. е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени.

В основу построения большинства ЭВМ положены принципы, сформулированные в 1945 г. Джоном фон Нейманом:

Принцип программного управления (программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определённой последовательности).
Принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными).
Принцип адресности (основная память структурно состоит из нумерованных ячеек).

ЭВМ, построенные на этих принципах, имеют классическую архитектуру (архитектуру фон Неймана). Архитектура ПК определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера:

центрального процессора;
основной памяти;
внешней памяти;
периферийных устройств.

Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру процессора, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской (MotherBoard). А контроллеры и адаптеры дополнительных устройств либо сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения (DaughterBoard - дочерняя плата) и подключаются к шине с помощью разъёмов расширения, называемых также слотами расширения (англ. slot - щель, паз)

Функционально-структурная организация

Основные блоки ПК и их значение

Архитектура компьютера обычно определяется совокупностью ее свойств, существенных для пользователя. Основное внимание при этом уделяется структуре и функциональным возможностям машины, которые можно разделить на основные и дополнительные. Основные функции определяют назначение ЭВМ: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами. Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций: обеспечивают эффективные режимы ее работы, диалог с пользователем, высокую надежность и др. Названные функции ЭВМ реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных средств.

Структура компьютера - это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов. Персональный компьютер - это настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения. Достоинствами ПК являются:

малая стоимость, находящаяся в пределах доступности для индивидуального покупателя;
автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;
гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;
"дружественность" операционной системы и прочего программного обеспечения, обусловливающая возможность работы с ней пользователя без специальной профессиональной подготовки;
высокая надежность работы (более 5 тыс. ч наработки на отказ).

Структура персонального компьютера

Рассмотрим состав и назначение основных блоков ПК.

Микропроцессор (МП) - это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

В состав микропроцессора входят:

устройство управления (УУ) - формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов;
арифметико-логическое устройство (АЛУ) - предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор);
микропроцессорная память (МПП) - служит для кратковременного характера, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессор. Регистры - быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие);
интерфейсная система микропроцессора - реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной. Интерфейс (interface) - совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. Порт ввода-вывода (I/O - Input/Output port) - аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК.

Генератор тактовых импульсов

Он генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины.

Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

Системная шина

Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина включает в себя:

кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;
кодовую шину адреса (КША), включающую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода – вывода внешнего устройства;
кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины;
шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.

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 (в режиме прямого доступа к памяти).

Не блоки, а точнее их порты ввода – вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: Непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шины осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему- контроллер шины, формирующий основные сигналы управления.

Архитектура персонального компьютера (ПК) включает в себя структуру, которая отражает состав ПК, и программное обеспечение.

– это набор его функциональных элементов (от основных логических узлов до простейших схем) и связей между ними.

Архитектура определяет принципы действия , информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов ПК, к которым относят процессор, оперативное запоминающее устройство, внешние запоминающие устройства и периферийные устройства.

Основным принципом построения всех современных ПК является программное управление.

Классическая архитектура фон Неймана

В $1946$ году американские математики Джон фон Нейман , Герман Голдштейн и Артур Бёркс в совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. На основе этих принципов производилось $1$-е и $2$-е поколение компьютеров. В следующих поколениях происходили некоторые изменения, но принципы фон Неймана (как они были названы) сохранялись.

Основные принципы фон Неймана:

Использование двоичной системы счисления в ПК , в которой устройствам гораздо проще выполнять арифметико-логические операции, чем в десятичной.
Программное управление ПК . Работа ПК управляется программой, которая состоит из набора команд, выполняющихся последовательно одна за другой. Создание машины с хранимой в памяти программой положило начало программированию.
Данные и программы хранятся в памяти ПК . Команды и данные кодируются одинаково в двоичной системе.
Ячейки памяти ПК имеют последовательно пронумерованные адреса. Возможность обращения к любой ячейке памяти по ее адресу позволила использовать переменные в программировании.
Возможность условного перехода при выполнении программы. Команды в ПК выполняются последовательно, но при необходимости можно реализовать переход к любой части кода.

Основным принципом было то, что программа уже стала не постоянной частью машины, а изменяемой, в отличие от аппаратуры, которая остается неизменной и очень простой.

Фон Нейманом также была предложена структура ПК (рис. 1).

Рисунок 1. Структура ПК

В состав машины фон Неймана входили:

запоминающее устройство (ЗУ);
арифметико-логическое устройство (АЛУ), которое выполняло все арифметические и логические операции;
устройство управления (УУ), которое координирует действия всех узлов машины в соответствии с программой;
устройства ввода-вывода.

Программы и данные вводились в ЗУ из устройства ввода через АЛУ. Все команды программы записывались в ячейки памяти последовательно, а данные для обработки – в произвольные ячейки.

Команда состояла из указания операции, которую необходимо выполнить, и адресов ячеек памяти, в которых хранятся данные и над которыми необходимо выполнить нужную операцию, а также адреса ячейки, в которую необходимо записать результат (для хранения в ЗУ).

Из АЛУ результаты выводятся в ЗУ или устройство вывода. Принципиально эти устройства отличаются тем, что в ЗУ данные хранятся в удобном для обработки ПК виде, а на устройства вывода (монитор, принтер и т.п.) в удобном для человека.

От УУ на другие устройства поступают сигналы с командами, а от других устройств УУ получает информацию о результате их выполнения.

В УУ содержится специальный регистр (ячейка) – счетчик команд , в который записывается адрес первой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое соответствующей ячейки памяти и помещает его в специальное устройство – регистр команд . УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.

После выполнения команды счетчик команд увеличивается на $1$ и указывает на следующую команду программы. При необходимости выполнения команды, которая не следует по порядку за текущей, специальная команда перехода содержит адрес ячейки, в которую нужно передать управление.

Архитектура современных ПК

В основу архитектуры современных ПК заложен магистрально-модульный принцип . ПК состоит из отдельных частей – модулей, которые являются относительно самостоятельными устройствами ПК (напрмер, процессор, оперативная память, контроллер, дисплей, принтер, сканер и т.д.).

Модульный принцип позволяет пользователю самостоятельно комплектовать необходимую конфигурацию ПК и производить при необходимости его обновление. Модульная организация системы опирается на магистральный принцип обмена информацией. Для работы ПК как единого механизма необходимо осуществлять обмен данными между различными устройствами, за что отвечает системная (магистральная) шина , которая выполняется в виде печатного мостика на материнской плате.

Основные особенности архитектуры ПК сводятся к принципам компоновки аппаратуры, а также к выбранному набору системных аппаратных средств.

Подобная архитектура характеризуется ее открытостью – возможностью включения в ПК дополнительных устройств (системных и периферийных), а также возможностью простого встраивания программ пользователя на любом уровне программного обеспечения ПК.

Замечание 1

Также совершенствование архитектуры ПК связано с максимальным ускорением обмена информацией с системной памятью. Именно из системной памяти, в которой хранятся данные, ПК считывает все исполняемые команды. Таким образом больше всего обращений центральный процессор совершает к памяти и ускорение обмена с памятью приведет к существенному ускорению работы всей системы в целом.

Т.к. при использовании системной магистрали для обмена процессора с памятью приходится учитывать скоростные ограничения самой магистрали, то существенного ускорения обмена данными с помощью магистрали добиться невозможно.

Для решения этого вопроса был предложен следующий подход. Системная память вместо системной магистрали подключается к специальной высокоскоростной шине, которая дистанционно находится ближе к процессору и не требует сложных буферов и больших расстояний. В этом случае обмен с памятью идет с максимально возможной для процессора скоростью, и системная магистраль не замедляет его. Особенно актуальным это решение стало с ростом быстродействия процессора.

Таким образом, структура ПК из одношинной, которая применялась только в первых компьютерах, становится трехшинной .

Рисунок 2. Трехшинная структура ПК

АЛУ и УУ в современных ПК образуют процессор. Процессор, который состоит из одной или нескольких больших интегральных схем, называется микропроцессором или микропроцессорным комплектом.

Многопроцессорная архитектура ПК

Наличие в ПК нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и команд , т.е. одновременно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи.

Рисунок 3. Архитектура многопроцессорного ПК

Многомашинная вычислительная система

В архитектуре многомашинной вычислительной системы каждый процессор имеет свою оперативную память. Применение многомашинной вычислительной системы эффективно при решении задач, которые имеют очень специальную структуру, которая должна состоять из такого количества ПК, на сколько слабо связанных подзадач разбита система.

Многопроцессорные и многомашинные вычислительные системы имеют преимущество перед однопроцессорными в быстродействии.

Архитектура с параллельными процессорами

В данной архитектуре несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе, т. е. по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных.

Рисунок 4. Архитектура с параллельным процессором

В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений. Существуют и другие архитектурные решения, отличные от рассмотренных выше.

Основной принцип построения ЭВМ носит название архитектуры фон Неймана - американского ученого венгерского происхождения Джона фон Неймана, который ее предложил.

Современную архитектуру компьютера определяют следующие принципы:

Принцип программного управления. Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий компьютера. Эффективность программного управления будет выше при решении задачи этой же программой много раз (хотя и с разными начальными данными).

Принцип программы, сохраняемой в памяти. Согласно этому принципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в оперативную память, что ускоряет процесс ее выполнения.

Принцип произвольного доступа к памяти. В соответствии с этим принципом, элементы программ и данных могут записываться в произвольное место оперативной памяти, что позволяет обратиться по любому заданному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих.

На основании этих принципов можно утверждать, что современный компьютер - техническое устройство, которое после ввода в память начальных данных в виде цифровых кодов и программы их обработки, выраженной тоже цифровыми кодами, способно автоматически осуществить вычислительный процесс, заданный программой, и выдать готовые результаты решения задачи в форме, пригодной для восприятия человеком.

Персональный компьютер типа IBM PC имеет довольно традиционную архитектуру микропроцессорной системы и содержит все обычные функциональные узлы: процессор, постоянную и оперативную память, устройства ввода/вывода, системную шину, источник питания.

Основные особенности архитектуры персональных компьютеров сводятся к принципам компоновки аппаратуры, а также к выбранному набору системных аппаратных средств.

Основные узлы компьютера следующие:

Центральный процессор - это микропроцессор со всеми необходимыми вспомогательными микросхемами, включая внешнюю кэш-память и контроллер системной шины. (О кэш-памяти подробнее будет рассказано в следующих разделах). В большинстве случаев именно центральный процессор осуществляет обмен по системной шине.

Оперативная память может занимать почти все адресуемое пространство памяти процессора. Однако чаще всего ее объем гораздо меньше. В современных персональных компьютерах стандартный объем системной памяти составляет, как правило, от 64 до 512 Мбайт. Оперативная память компьютера выполняется на микросхемах динамической памяти и поэтому требует регенерации.

Постоянная память (ROM BIOS - Base Input/Output System) имеет небольшой объем (до 64 Кбайт), содержит программу начального запуска, описание конфигурации системы, а также драйверы (программы нижнего уровня) для взаимодействия с системными устройствами.

Контроллер прерываний преобразует аппаратные прерывания системной магистрали в аппаратные прерывания процессора и задает адреса векторов прерывания. Все режимы функционирования контроллера прерываний задаются программно процессором перед началом работы.

Контроллер прямого доступа к памяти принимает запрос на ПДП из системной магистрали, передает его процессору, а после предоставления процессором магистрали производит пересылку данных между памятью и устройством ввода/вывода. Все режимы функционирования контроллера ПДП задаются программно процессором перед началом работы. Использование встроенных в компьютер контроллеров прерываний и ПДП позволяет существенно упростить аппаратуру применяемых плат расширения.

Контроллер регенерации осуществляет периодическое обновление информации в динамической оперативной памяти путем проведения по шине специальных циклов регенерации. На время циклов регенерации он становится хозяином (задатчиком) шины.

Перестановщик байтов данных помогает производить обмен данными между 16-разрядным и 8-разрядным устройствами, пересылать целые слова или отдельные байты.

Часы реального времени и таймер-счетчик - это устройства для внутреннего контроля времени и даты, а также для программной выдержки временных интервалов, программного задания частоты и т.д.

Системные устройства ввода/вывода - это те устройства, которые необходимы для работы компьютера и взаимодействия со стандартными внешними устройствами по параллельному и последовательному интерфейсам. Они могут быть выполнены на материнской плате, а могут располагаться на платах расширения.

Платы расширения устанавливаются в слоты (разъемы) системной магистрали и могут содержать оперативную память и устройства ввода/вывода. Они могут обмениваться данными с другими устройствами на шине в режиме программного обмена, в режиме прерываний и в режиме ПДП. Предусмотрена также возможность захвата шины, то есть полного отключения от шины всех системных устройств на некоторое время.

Важная особенность подобной архитектуры - ее открытость , то есть возможность включения в компьютер дополнительных устройств, причем как системных устройств, так и разнообразных плат расширения. Открытость предполагает также возможность простого встраивания программ пользователя на любом уровне программного обеспечения компьютера.

Первый компьютер семейства, получивший широкое распространение, IBM PC XT, был выполнен на базе оригинальной системной магистрали PC XT-Bus. В дальнейшем (начиная с IBM PC AT) она была доработана до магистрали, ставшей стандартной и получившей название ISA (Industry Standard Architecture). До недавнего времени ISA оставалась основой компьютера.

Однако, начиная с появления процессоров i486 (в 1989 году), она перестала удовлетворять требованиям производительности, и ее стали дублировать более быстрыми шинами: VLB (VESA Local Bus) и PCI (Peripheral Component Interconnect bus) или заменять совместимой с ISA магистралью EISA (Enhanced ISA). Постепенно шина PCI вытеснила конкурентов и стала фактическим стандартом, а начиная с 1999 года в новых компьютерах рекомендуется полностью отказываться от магистрали ISA, оставляя только PCI. Правда, при этом приходится отказываться от применения плат расширения, разработанных за долгие годы для подключения к магистрали ISA.

Другое направление совершенствования архитектуры персонального компьютера связано с максимальным ускорением обмена информацией с системной памятью . Именно из системной памяти компьютер читает все исполняемые команды, и в системной же памяти он хранит данные. То есть больше всего обращений процессор совершает именно к памяти. Ускорение обмена с памятью приводит к существенному ускорению работы всей системы в целом.

Но при использовании для обмена с памятью системной магистрали приходится учитывать скоростные ограничения магистрали. Системная магистраль должна обеспечивать сопряжение с большим числом устройств, поэтому она должна иметь довольно большую протяженность; она требует применения входных и выходных буферов для согласования с линиями магистрали. Циклы обмена по системной магистрали сложны, и ускорять их нельзя. В результате существенного ускорения обмена процессора с памятью по магистрали добиться невозможно.

Разработчиками был предложен следующий подход. Системная память подключается не к системной магистрали, а к специальной высокоскоростной шине, находящейся «ближе» к процессору, не требующей сложных буферов и больших расстояний. В таком случае обмен с памятью идет с максимально возможной для данного процессора скоростью, и системная магистраль не замедляет его. Особенно актуальным это становится с ростом быстродействия процессора (сейчас тактовые частоты процессоров персональных компьютеров достигают 1 - 3 ГГц).

Таким образом, структура персонального компьютера из одношинной, применявшейся только в первых компьютерах, становится трехшинной.

Назначение шин следующее:

к локальной шине подключаются центральный процессор и кэш-память (быстрая буферная память);

к шине памяти подключается оперативная и постоянная память компьютера, а также контроллер системной шины;

к системной шине (магистрали) подключаются все остальные устройства компьютера.

Все три шины имеют адресные линии, линии данных и управляющие сигналы . Но состав и назначение линий этих шин не совпадают между собой, хотя они и выполняют одинаковые функции. С точки зрения процессора, системная шина (магистраль) в системе всего одна, по ней он получает данные и команды и передает данные как в память, так и в устройства ввода/вывода.

Временные задержки между системной памятью и процессором в данном случае минимальны, так как локальная шина и шина памяти соединены только простейшими быстродействующими буферами. Еще меньше задержки между процессором и кэш-памятью, подключаемой непосредственно к локальной шине процессора и служащей для ускорения обмена процессора с системной памятью.

Если в компьютере применяются две системные шины, например, ISA и PCI, то каждая из них имеет свой собственный контроллер шины, и работают они параллельно, не влияя друг на друга. Тогда получается уже четырехшинная, а иногда и пятишинная структура.


	Пример многошинной структуры

В наиболее распространенных настольных компьютерах класса Desktop в качестве конструктивной основы используется системная или материнская плата (motherboard), на которой располагаются все основные системные узлы компьютера, а также несколько разъемов (слотов) системной шины для подключения дочерних плат - плат расширения (интерфейсных модулей, контроллеров, адаптеров). Как правило, современные системные платы допускают замену процессора, выбор его тактовой частоты, замену и наращивание оперативной памяти, выбор режимов работы других узлов.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.сайт/

ВСЕРОССИЙСКИЙ ЗАОЧНЫЙ ФИНАНСОВО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

КАФЕДРА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ

ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

по дисциплине

Информатика

Архитектура современного ПК

Введение

2. Структура современного ПК

4. Архитектура ПК в будущем

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Темой моей курсовой работы является «Архитектура современного ПК». Персональный компьютер (ПК) - это настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения. ПК стал обязательным атрибутом в любом современном офисе. Это основная техническая база информационной технологии. Профессионалы, работающие вне компьютерной сферы, считают непременной составляющей своей компетентности знание аппаратной части персонального компьютера, хотя бы его основных технических характеристик. Особенно велик интерес к компьютерам среди молодежи, широко использующей их для своих целей.

Актуальность выбранной темы связана с тем, что современный рынок компьютерной техники столь разнообразен, что довольно не просто определить конфигурацию ПК с требуемыми характеристиками. Без специальных знаний здесь практически не обойтись.

Цель данной курсовой работы - дать основное представление о структуре и функциях аппаратной части персонального компьютера. Другими словами определить архитектуру современного ПК, которая будет описана в теоретической части данной курсовой работы.

Архитектор, проектируя здание, обязан не только позаботиться о его красоте и форме, но и представить подробный план здания (структуры), предусмотреть надежность, безопасность, удобство его эксплуатации и использование эффективных технологий. Таким образом он решает вопросы взаимодействия проектируемого здания с окружающей средой, с людьми, для которых здание строится.

Подобное можно сказать и об архитектуре компьютера, которая связана с набором качеств, влияющих на ее взаимодействие с пользователем. Под архитектурой компьютера понимается его логическая организация, структура, совокупность его свойств и характеристик, существенных для пользователя. Основное внимание при этом уделяется структуре и функциональным возможностям машины, которые можно разделить на основные и дополнительные. Основные функции определяют назначение ЭВМ: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами. Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций: обеспечивают эффективные режимы ее работы, диалог с пользователем, высокую надежность и др. Названные функции ЭВМ реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных средств. компьютер процессор оперативная память

Одним из существенных достоинств современного ПК является гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования и в быту.

1. Основные принципы функционирования ПК

Исторически компьютер появился как машина для вычислений и назывался электронной вычислительной машиной - ЭВМ. Структура такого устройства была описана знаменитым математиком Джоном фон Нейманом в 1945 г. Современные компьютеры, базируясь на тех же принципах, имеют некоторые отличия, обусловленные развитием техники и служащие решению важных для пользователя задач (рис. 1).

Рис.1. Структурная схема современного ПК

Компьютер состоит из:

АЛУ - арифметическое логическое устройство. Преобразует информацию, выполняя сложение, вычитание и основные логические операции «И», «ИЛИ», «НЕ».

УУ - устройство управления. Организует процесс выполнения программ.

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство, или память.

УВВ - устройства ввода и вывода. Получают информацию извне, выводят ее получателю.

Достижения микроэлектроники позволили объединить в одной сверхбольшой интегральной схеме, называемой микропроцессором (МП) или процессором, АЛУ и УУ. Уменьшение габаритов ОЗУ позволило разместить МП и ОЗУ на одной электронной плате, называемой системной, или материнской. Все связи между отдельными устройствами объединены в пучок параллельных проводов - локальную или системную шину. В состав этой шины входят шина данных, по которой передаются из ОЗУ в МП также и команды, шина адреса и шина управления. УВВ включают УВВ и управляющие ими контроллеры (карты), включаемые в системную плату или установленные прямо на ней.

В современных ПК возможна также параллельная работа нескольких процессоров. За счет распараллеливания выполнения одной задачи или параллельного выполнения многих задач достигается увеличение общей производительности компьютера. Для этого предусматривают цепи, связывающие между собой отдельные процессоры. Двухпроцессорные машины отличаются от однопроцессорных прежде всего именно более «мягкой» реакцией на действия пользователя, особенно если в системе одновременно запущено несколько задач.

Важным элементом структуры современного компьютера и принципа его действия являются сигналы и понятия прерываний. Если в микропроцессор извне поступает сигнал запроса на прерывание, выполнение текущей программы приостанавливается, в заранее определенной области ОЗУ сохраняются все промежуточные результаты и адрес останова в программе, и микропроцессор выполняет специальную программу обработки прерывания, в которой указано, что надо сделать в этом случае. После ее завершения восстанавливаются все промежуточные результаты, и микропроцессор продолжает выполнение текущей программы с запомненного ранее адреса.

В основу архитектуры современных ПК положен магистрально-модульный принцип. Этот принцип позволяет самим комплектовать нужную конфигурацию компьютера и при необходимости производить ее модернизацию. Модульная организация опирается на шинный метод обмена информацией между модулями (устройствами). Этот принцип также называют принципом открытой архитектуры.

2. Структура современного ПК

Структура компьютера - это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов (рис.2).

Рис. 2. Структурная схема ПК

Рассмотрим принципы взаимодействия основных устройств ПК.

Материнская (системная) плата - важнейший элемент ПК, к которому подключено всё то, что составляет сам компьютер (рис. 3). В нее устанавливается процессор, оперативная память, микропроцессорный комплект (чипсет), с ней связаны жесткий диск и CD-ROM, к ней подключаются различные дополнительные устройства.

Таким образом, материнская плата, центральный процессор, оперативная память составляют основу ПК, от их производительности зависит производительность компьютера в целом. На материнской плате находятся специальные перемычки - джамперы, позволяющие подстроить ее под тип процессора и других устройств, устанавливаемых на ней. На материнской плате устанавливаются разъемы для установки дополнительных устройств - слоты расширения. Все дополнительные устройства взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных - шину.

Виды слотов расширения различаются по типу шины.

Аппаратно-логические устройства, отвечающие за совместное функционирование различных компонентов, называют интерфейсами. (рис.4).

Современный компьютер заполнен разными интерфейсами, обеспечивающими всеобщее взаимодействие. 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.

Центральной частью компьютера является системный блок с присоединенными к нему клавиатурой, монитором и мышью (рис. 5, а)). Системный блок и монитор независимо друг от друга подключаются к источнику питания - сети переменного тока. В современных компьютерах дисплей и системный блок иногда монтируются в едином корпусе (Рис. 5, б)).

В системном блоке располагаются все основные устройства компьютера: микропроцессор, оперативная память, контроллеры, накопители, дисководы для компакт-дисков, блок питания, счетчик времени и другие устройства.

Все компоненты ПК по их функциональному отношению к работе с информацией можно условно разделить на:

· устройства обработки информации (центральный процессор, специализированные процессоры);

· устройства хранения информации (жесткий диск, CD-ROM, оперативная память и др.)

· устройства ввода информации (клавиатура, мышь, микрофон, сканер и т.д.)

· устройства вывода информации (монитор, принтер, акустическая система и т.д.).

3. Характеристики основных компонентов современного ПК

Устройства обработки

Микропроцессор (центральный микропроцессор, CPU) - программно управляемое устройство, предназначенное для обработки информации под управлением программы, находящейся сейчас в оперативной памяти.

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 (рис. 6). Микропроцессор установлен на материнской плате и связан с ней интерфейсом процессорного разъема (Socket). Следующие два года AMD готовят нам встречу с тремя новыми процессорными разъёмами: Socket AM2+, Socket AM3 и Socket F+. С ними будут выпускаться чипы, основанные на архитектуре, условно названной K8L.

В состав микропроцессора входят АЛУ, устройство управления, внутренние регистры. УУ вырабатывает управляющие сигналы для выполнения команд, АЛУ - арифметические и логические операции над данными. Оно может состоять из нескольких блоков, например блока обработки целых чисел и блока обработки чисел с плавающей запятой.

Директор по технологиям Intel Патрик Гелсингер, отметил, что процессоры Intel следующего поколения будут поддерживать новый набор векторных инструкций AVX (Advanced Vector Extensions), которые позволят ускорить выполнение операций с плавающей запятой.

В современных микропроцессорах в основу работы каждого блока положен принцип конвейера. Если в микропроцессоре имеется несколько блоков обработки, в основу работы которых положен принцип конвейера, то его архитектуру называют суперскалярной. Серия процессоров NVIDIA GeForce 6 имеет новую суперскалярную шейдерную архитектуру, которая удваивает количество операций на такт по сравнению с традиционными архитектурами. В результате производительность становится значительно выше одношейдерного нескалярного проектирования. Также, новая архитектура обеспечивает полноценную 32-битную точность операций с плавающей запятой, сохраняя при этом 16-битный режим сохранения в памяти.

Основными характеристиками процессора являются: быстродействие, тактовая чистота и разрядность. По результатам тестирования, проведенного журналом «Железо», неплохие характеристики имеет четырехъядерный процессор Intel Core 2 Extreme QX6700 (частота процессора 2,66 ГГц, кэш второго уровня L2 8192 Кб, частота шины 1066 Мгц).

Важным этапом в развитии аппаратных платформ Intel, по словам П. Гелсингера, станет появление новой архитектуры Nehalem. В Intel отмечают, что переход на архитектуру Nehalem позволит добиться значительного повышения производительности при одновременном снижении энергопотребления. Платформа Nehalem будет использовать новую системную архитектуру QuickPath Interconnect, включающую встроенный контроллер памяти и усовершенствованные каналы связи между компонентами. Процессоры на основе Nehalem получат от двух до восьми ядер и благодаря технологии Simultaneous Multi-threading смогут одновременно обрабатывать от четырех до шестнадцати потоков инструкций. Объем кэш-памяти третьего уровня сможет достигать 12 Мб. Процессоры Nehalem получат новый набор инструкций SSE4 и поддержку технологии Smart Cache для работы нескольких ядер с общим кэшем.

Гелсингер также заметил, что позднее Intel планирует показать чип, разрабатывающийся в рамках проекта Larrabee. Larrabee будет предназначен, прежде всего, для ускорения различных расчетов, а также повышения производительности вычислительных систем, обрабатывающих данные научного, финансового характера и пр. Инициатива Larrabee предполагает создание многоядерного процессора, построенного на основе усовершенствованной архитектуры х86. Первые версии чипа, предположительно, будут насчитывать от 16 до 24 ядер и работать на тактовой частоте около 2 ГГц. Производительность процессора теоретически будет достигать одного терафлопса (триллиона операций с плавающей запятой в секунду). Ожидать появления продуктов на основе Larrabee следует ближе к концу 2009 года или в 2010 году.

Связь между устройствами ПК осуществляется с помощью сопряжений, которые в вычислительной технике называются интерфейсами.

В персональном компьютере, как правило, используется структура с одним общим интерфейсом, называемым также системной шиной. При такой структуре все устройства компьютера обмениваются информацией и управляющими сигналами через системную шину. Физически она представляет собой систему функционально объединенных проводов, по которым передаются три потока данных: непосредственно информация, управляющие сигналы и адреса (рис. 7).

Несомненными достоинствами ПК с шинной структурой являются ее простота, а, следовательно, и невысокая стоимость; гибкость, так как нификация связи между устройствами позволяет достаточно легко включать в состав ПК новые модули, т.е. менять конфигурацию компьютера. К недостаткам следует отнести снижение производительности системы из-за задержек, связанных со временем ожидания устройствами возможности занять шину, пока осуществляется передача информации между устройствами с более высоким приоритетом. Для преодоления этого недостатка в персональных суперкомпьютерах используется архитектура с несколькими шинами.

Шинная структура ПК (ЦП - центральный процессор, ОП - оперативная память, ПП - постоянная память, К - контроллер, ПУ - периферийное устройство).

Максимальное количество одновременно передаваемой информации называется разрядностью шины. Чем больше разрядность шины, тем больше информации она может передать в единицу времени.

При работе с оперативной памятью шина проводит поиск нужного участка памяти и обменивается информацией с найденным участком. Эти задачи выполняют две части системной шины: адресная шина и шина данных.

Шина адреса предназначена для передачи адреса ячейки памяти или порта ввода-вывода. Разрядность адресной шины определяет адресное пространство процессора, т.е. количество ячеек памяти. У процессоров Intel Pentium (а именно они наиболее распространены в персональных компьютерах) адресная шина 32-разрядная.

Шина данных предназначена для передачи команд и данных, которые могут передаваться в любом направлении. В современных компьютерах разрядность шины данных составляет 64 бита.

Шина управления включает в себя все линии, которые обеспечивают работу общей шины. В большинстве современных процессоров шина управления 32-разрядная (например, в процессоре Intel Pentium), хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже 128-разрядные.

Шина работает циклами. Количество циклов срабатывания шины в единицу времени называется частотой шины. В современных компьютерах частота процессора может превышать частоту системной шины. Корпорация Intel официально представила новые серверные процессоры Itanium серии 9100 (кодовое название Montvale). Процессор Itanium 9110N имеет тактовую частоту

1,6 ГГц, частота системной шины - 533 МГц.

Для каждого устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет, - контроллер. Все контроллеры взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную плату.

Устройства хранения

Центральный процессор (ЦП) взаимодействует с внутренним ЗУ, называемым оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) или оперативной памятью (ОП). ОП предназначена для приема, хранения выдачи всей информации, необходимой для выполнения операций в ЦП. Кроме оперативной памяти во всех компьютерах обычно имеется внутренняя постоянная память, используемая для хранения постоянных данных и программ.

Оперативная память (ОП, англ. RAM - Random Access Memory - память с произвольным доступом) - это быстродействующее запоминающее устройство с прямым доступом процессора, которое предназначено для записи, считывания и временного хранения выполняемых программ и данных. Она ограничена по объему. ОП - электрическое устройство, и при выключении ПК все его содержимое пропадает.

В связи с этим на материнской плате есть микросхема «энергонезависимой памяти», так называемая СMOS-память (изготовленная по технологии CMOS - Comple Mentary Metal - oxide semiconductor), которая предназначена для длительного хранения данных о конфигурации и настройке компьютера. Для этого используют специальные электронные схемы со средним быстродействием, но очень малым энергопотреблением, питаемые от специального аккумулятора, установленного на материнской плате. Это полупостоянная память.

Данные записываются и считываются под управлением команд, содержащихся в другом виде памяти - BIOS (Basic Input-Output System), которая является базовой системой ввода-вывода - содержит наборы групп команд, называемых функциями, для непосредственного управления различными устройствами ПК.

Для ускорения доступа к оперативной памяти используется кэш-память (cache - запас). Это сверхбыстрая оперативная память, предназначенная для временного хранения текущих данных и помещенная между оперативной памятью и процессором. У современных микропроцессоров может быть кэш-память первого уровня, которая обычно встроена в тот же кристалл и работает на одинаковой с микропроцессором частоте. Для некоторых микропроцессоров предусмотрена еще кэш-память второго и третьего уровня (от 8Мб до 24Мб). Существуют два способа организации такой памяти: общая, когда команды и данные хранятся вместе, и разделенная, когда они хранятся в разных местах. Наличие разделенной кэш-памяти увеличивает производительность микропроцессора, сокращая среднее время доступа к используемым командам и данным.

Для хранения больших объемов информации, которые не используются в данный момент времени процессором, предназначаются внешние запоминающие устройства (ВЗУ). К ним относятся: винчестеры (жесткие магнитные диски), оптические диски, магнитно-оптические диски, флоппи диски, Zip and Jaz Iomega discs (относительно новые носители информации, которые призваны заменить гибкие магнитные диски. Они быстрые и большие по емкости (100 мегабайт - Zip, 1 гигабайт - Jaz)), магнитные ленты.

Ученые из Центра прикладной наноионики (CANi) при Университете штата Аризона (США) сообщили о создании нового типа памяти, позволяющей выпускать крошечные накопители емкостью до 1 Тб. Кроме столь впечатляющей емкости при малых размерах, чипы памяти на базе новой технологии смогут похвастаться низким энергопотреблением, превзойдя по этому показателю даже распространенную флэш-память.

В современных ПК реализована виртуальная память, которая предоставляет пользователю возможность работы с расширенным пространством оперативной памяти. Виртуальная память представляет собой совокупность оперативной памяти и внешних запоминающих устройств, а также комплекса программно-аппаратных средств, обеспечивающих динамическую переадресацию данных, в результате чего пользователь не должен заботиться о том, где располагаются необходимые ему данные (в ОЗУ или ВЗУ), а функции по требуемому перемещению данных берет на себя вычислительная система

Конструктивно элементы памяти выполнены в виде модулей, так что при желании можно сравнительно просто заменить их или установить дополнительные и тем самым изменить объем общей оперативной памяти компьютера. В настоящее время отдельные микросхемы памяти не устанавливаются на материнскую плату. Они объединяются в специальных печатных платах, образуя вместе с некоторыми дополнительными элементами модули памяти (SIMM- и DIMM-модули).

Для подключения к системной шине различных внешних устройств существуют устройства - порты. Различают несколько типов портов: внутренний (таймерный), клавиатурный, коммуникационный, игровой (джойстик).

Коммуникационные порты обеспечивают подключение таких внешних устройств, как мышь, принтер, сканер, внешний модем и др. Эти порты подразделяются на последовательные (COM1, COM2, СОМ3, СОМ4) и параллельные (LPT1, LPT2, LPT3). Последовательные порты обеспечивают двусторонний побайтовый обмен последовательными кодами, они обычно используются для подключения мыши и модема.

Параллельные порты могут реализовать либо однонаправленную побайтовую передачу параллельных кодов, либо двунаправленную. Параллельный порт имеет более высокую скорость передачи информации, чем последовательные порты, и используется для подключения принтера.

Широкое распространение получил порт USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина). Он обеспечивает высокоскоростное подключение к компьютеру сразу нескольких периферийных устройств (сканера, цифровых камер и т.п.).

Также высокоскоростное подключение до 7 устройств (винчестеров, сканеров, СD-ROM и DVD-ROM дисководов и др.) к компьютеру реализует интерфейс малых вычислительных систем (Small Computer System Interface). SCSI-адаптеры размещаются в слотах расширения системной платы.

Устройства ввода и вывода

Совокупность ВЗУ и устройств ввода-вывода информации образует периферийную часть ЭВМ. Так как существует достаточно много разнообразных периферийных устройств, каждый ПК может быть укомплектован по-разному и иметь в своем составе те или иные периферийные устройства. Поэтому принято говорить о конфигурации ЭВМ, понимая под этим термином конкретный состав ее устройств с учетом их характеристик.

Передача информации из периферийных устройств в центральные называется операцией ввода , а передача информации из центральных устройств в периферийные - операцией вывода .

Производительность и эффективность использования ПК определяются не только возможностями его процессора и характеристиками ОП, но в большей степени составом его периферийных устройств, их техническими данными, а также способом организации их совместной работы с центральной частью ПК.

Внешними называются устройства, обеспечивающие ввод, вывод и накопление информации в ПК и взаимодействующие с процессором и оперативной памятью через системную шину, а также через порты ввода-вывода. К ним относятся как устройства, находящиеся вне системного блока (клавиатура, мышь, трекбол, тачпад, монитор, принтер, плоттер и другие), так и устройства, размещаемые внутри него (накопители на дисках, контроллеры устройств, внутренние факс-модемы и другие).

К устройствам вывода относятся: монитор, видеокарта, принтер, плоттер, сетевая карта.

Устройства ввода информации: клавиатура, мышь, трекбол, тачпад (TouchPad), сканер, цифровая камера, ТВ-тюнер, звуковая карта, микрофон и т.п.

4. Архитектура современного ПК

Современный ПК используется в таких приложениях, для которых первоначально и не предназначался. 3D графика, потоковое видео, многоканальное аудио и высокоскоростные коммуникации стали настолько привычными и обязательными, что компьютерные системы находятся под постоянным напором новых требований к их архитектуре. К сожалению, ПК, которые мы видим в настоящее время, с их древними форм-факторами и унаследованной из поколения в поколение уродливостью, не могут в полной мере соответствовать требованиям, предъявляемым к современным ПК. Новая архитектура от NVIDIA - nForce, разработана фактически с чистого листа на основе нескольких новейших технологий, в результате чего получилась воистину современная платформа XXI века.Архитектура NVIDIA nForce обладает самой производительной на сегодняшний день платформой; новой шиной AMD HyperTransport, связывающей обе части чипсета nForce - IGP и MCP, позволяющей добиться в шесть раз большей производительности, чем принятые в настоящие время внешние шинные соединения; многоканальным, высокопроизводительным аудио движком, позволяющим декодировать аудио по схеме Dolby Digital 5.1 в реальном времени. NVIDIA nForce составлена из двух "сопроцессоров": nForce Integrated Graphics Processor (IGP) и nForce Media and Communications Processor (MCP).

Продолжая совершенствовать концепции дизайна персональных компьютеров, компании Microsoft и Hewlett-Packard недавно познакомили нас с еще одним вариантом ПК будущего. Разработка носит кодовое название Athens и с виду напоминает Tablet PC, подключенный проводом к стоящей отдельно док-станции небольшого размера. Прототип, демонстрировавшийся на конференции WinHEC в Новом Орлеане, предстал перед аудиторией в виде сравнительно небольшого по размерам «системного блока», соединенного с плоскопанельным монитором с диагональю 23 дюйма. Этот дисплей оснащен телефонной гарнитурой и видеокамерой, размещенными с разных сторон, в дисплейном модуле могут также размещаться медиа-порты и приводы для оптических дисков. Все остальные компоненты ПК, в том числе процессор и системная плата,помещены в компактное шасси, соединенное с дисплеем одним кабелем. По этому кабелю, как поясняют разработчики, осуществляются и подача питания на экран, и передача различных данных. Устройство работает с беспроводными клавиатурой и мышью. Таким образом прототип Athens представляет настольную систему, которая дает пользователю также возможность участвовать в видеоконференциях и разговаривать по телефону наряду с выполнением привычной работы с Web и электронной почтой

Как подчеркнул Байрон Сэндз, директор по вопросам передовых технологий подразделения персональных компьютеров HP, Athens разрабатывается не как элитное устройство, а как стандарт для настольных систем будущего. В целях продвижения на рынок новой эталонной архитектуры Microsoft намерена оказывать активную помощь производителям аппаратного обеспечения.

Создание качественно новых вычислительных систем с более высокой производительностью и некоторыми характеристиками искусственного интеллекта, например с возможностью самообучения,- очень актуальная тема. Последние десять лет такие разработки ведутся во многих направлениях - наиболее успешными и быстро развивающимися из них являются квантовые компьютеры, нейрокомпьютеры и оптические компьютеры, поскольку современная элементная и технологическая база имеет все необходимое для их создания.

Носителем информации в оптических компьютерах будет световой поток. Весь набор полностью оптических логических устройств для синтеза более сложных блоков оптических компьютеров реализуется на основе пассивных нелинейных резонаторов-интерферометров. Элементы памяти оптического компьютера представляют собой полупроводниковые нелинейные оптические интерферометры, в основном, созданными из арсенида галлия (GaAs). К настоящему времени уже созданы и оптимизированы отдельные составляющие оптических компьютеров - оптические процессоры, ячейки памяти, однако до полной сборки еще далеко.

Основной строительной единицей квантового компьютера является кубит (qubit, Quantum Bit). Классический бит имеет лишь два состояния - 0 и 1, тогда как состояний кубита значительно больше. Для описания состояния квантовой системы было введено понятие волновой функции , ее значение представляется в виде вектора с большим числом значений. Для того чтобы практически реализовать квантовый компьютер, существуют несколько важных правил, которые в 1996 г. привел Дивиченцо. Без их выполнения не может быть построена ни одна квантовая система: точно известное число частиц системы, возможность приведения системы в точно известное начальное состояние, высокая степень изоляции от внешней среды, умение менять состояние системы согласно заданной последовательности элементарных преобразований. Выполнение этих требований вполне реально с помощью существующих квантовых технологий.

Нейрокомпьютеры - это совершенно новый тип вычислительной техники, иногда их называют биокомпьютерами . Нейрокомпьютеры можно строить на базе нейрочипов, которые функционально ориентированы на конкретный алгоритм, на решение конкретной задачи. Возможна эмуляция нейрокомпьютеров (моделирование) - как программно на ПЭВМ и суперЭВМ, так и программно-аппаратно на цифровых супербольших интегральных схемах. Искусственная нейронная сеть построена на нейроноподобных элементах - искусственных нейронах и нейроноподобных связях. Один искусственный нейрон может использоваться в работе нескольких (приблизительно похожих) алгоритмов обработки информации в сети, и каждый алгоритм осуществляется при помощи некоторого количества искусственных нейронов.

Недавно американская фирма Nantero из Бостона, разработала технологию, позволяющую серийно производить чипы памяти на нанотрубках до 10Гб данных. Память нового поколения, использующая массив фуллереновых трубок на поверхности чипа кремния (NRAM, Nanoscale Random Access Memory) будет хранить данные даже после отключения питания устройства. Резко может измениться структура компьютера. Загрузка компьютеров, оснащенных такой памятью, при включении будет происходить мгновенно. Да и быстродействие компьютеров значительно возрастет, так как не будет обращения к винчестеру. Винчестеры как таковые будут не нужны! Можно будет отказаться от системного блока!

Компьютер недалекого будущего состоит из следующих частей: жидкокристаллический дисплей 19 дюймов на котором сзади располагается системная плата с процессором и памятью. Сейчас Intel выпустила наборы системной логики 865 и 875, с двухканальным контроллером памяти. Наверное, будет 4-х и 8-ми канальная организация памяти. Емкость памяти компьютера 100-200 Гб. От южного моста можно оставить 6-канальный звук. От CD и DVD приводов можно будет отказаться так, как данные удобней будет переносить на компактной флэш-памяти.

Заключение

Мировая индустрия персональных компьютеров основывается на достижениях микроэлектронной техники, промышленных стандартах и постоянных технологических инновациях. Компания Intel дала массу ярких примеров стратегического планирования будущих технологий (и нтерфейсы, стандартные разъемы, кооперативные программы, венчурные инициативы, developer.intel.com). Новые архитектурные решения, стандартные интерфейсы и передовые связные технологии персональных компьютеров ежедневно зарождаются в лабораториях и исследовательских центрах компании.

Гибкость архитектуры современных ПК позволяет организациям и компаниям различных типов достаточно быстро и без больших финансовых затрат приспосабливаться к любым изменениям, сохраняя вложения в предыдущие технологии. Модель системы на базе ПК обеспечивает оптимальное сочетание производительности, стоимости и гибкости в рамках организаций разных типов.

Прогресс компьютерных технологий идет семимильными шагами. Новая ситуация требует новой модели взаимодействия человека с компьютером - модели упреждающих вычислений. Эта модель предполагает, что компьютеры будут предугадывать наши потребности и даже заранее реагировать на них в наших интересах. С некоторыми компьютерами мы будем продолжать взаимодействовать непосредственно, но большинство будут встроены в окружающую нас физическую среду, где они будут собирать и обрабатывать информацию без какого-либо вмешательства человека. Реализация модели упреждающих вычислений повлечет за собой новый цикл повышения продуктивности и качества нашей жизни.

Литература

1. Энциклопедия технологий баз данных. Когаловский М.Р. -М: Финансы и статистика,2002

2. Информатика в экономике: Учебное пособие/под ред. Проф. Б.Е. Одинцова,проф. А.Н. оманова-М:Вузовский учебник,2008

3. Экономическая информатика / Под ред. В.П. Косарева и Л.В. Еремина. М.: Финансы и статистика, 2001. - 592 с.

4. Информатика и информационные технологии / Под ред. Ю.Д. Романовой. - М.: Эксмо, 2008. - 592 с.

Размещено на сайт

Подобные документы

Архитектура современного персонального компьютера. Виды и характеристики центральных и внешних устройств ЭВМ. Структурная и функциональная схемы персонального компьютера. Устройства для ввода информации в системный блок и для отображения информации.

курсовая работа , добавлен 18.01.2012

Принципиальная схема устройства современного персонального компьютера. Краткая характеристика основных составляющих ПК: процессора, модулей оперативной (внутренней) и долговременной (внешней) памяти, устройств ввода и вывода информации для пользователя.

презентация , добавлен 07.06.2015

Конфигурация современного персонального компьютера. Назначение и типы монитора, модема, системного блока, принтера, клавиатуры. Материнская плата, процессор, оперативная память. Сборка компьютера, установка компонентов. Безопасность на рабочем месте.

курсовая работа , добавлен 19.11.2009

Функционально-структурная организация ЭВМ: архитектура, назначение основных блоков компьютера, принцип взаимодействия устройств. Физические характеристики компонентов ЭВМ: центральный процессор, память, шина; устройства ввода информации; периферия.

реферат , добавлен 24.03.2011

Основные части персонального компьютера: системный блок, устройства ввода и вывода информации. Основные элементы системного блока: материнская плата, процессор, оперативная память, кэш-память, накопители. Операционная система, объекты Windows, окна.

реферат , добавлен 21.09.2009

Основные принципы функционирования ПК. Определение конфигурации компьютера с требуемыми характеристиками. Характеристики основных компонентов современного ПК. Описание алгоритма решения задачи с использованием MS Excel. Блок-схема алгоритма решения задач.

курсовая работа , добавлен 20.12.2010

Структура персонального компьютера и принцип его работы. Состав и назначение основных блоков. Классификация компонентов: устройства ввода-вывода информации и ее хранения. Физические характеристики микропроцессора, оперативной памяти, жесткого диска.

реферат , добавлен 02.06.2009

Изучение внутренней и внешней архитектуры персонального компьютера. Логическая организация и структура аппаратных и программных ресурсов вычислительной системы. Описание различных компонентов ПК. Принципы их взаимодействия, функции и характеристики.

контрольная работа , добавлен 15.06.2014

Функциональные элементы в составе компьютера: основная (оперативная) и внешняя память, процессор, устройства ввода и вывода информации, коммуникационные устройства; их характеристики. Заполнение таблиц и построение формул в текстовом редакторе Word.

контрольная работа , добавлен 27.02.2010

Состав вычислительной системы - конфигурация компьютера, его аппаратные и программные средства. Устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию персонального компьютера. Основная память, порты ввода-вывода, адаптер периферийного устройства.