Архитектура персонального компьютера
Архитектура персонального компьютера (ПК) включает в себя структуру, которая отражает состав ПК, и программное обеспечение.
Структура ПК – 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.
PARALLEL.RU — Информационно-аналитический центр по параллельным вычислениям
По-видимому, самой ранней и наиболее известной является классификация архитектур вычислительных систем, предложенная в 1966 году М.Флинном 1,2. Классификация базируется на понятии потока , под которым понимается последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемая процессором. На основе числа потоков команд и потоков данных Флинн выделяет четыре класса архитектур: SISD,MISD,SIMD,MIMD.
SISD (single instruction stream / single data stream) — одиночный поток команд и одиночный поток данных. К этому классу относятся, прежде всего, классические последовательные машины, или иначе, машины фон-неймановского типа, например, PDP-11 или VAX 11/780. В таких машинах есть только один поток команд, все команды обрабатываются последовательно друг за другом и каждая команда инициирует одну операцию с одним потоком данных. Не имеет значения тот факт, что для увеличения скорости обработки команд и скорости выполнения арифметических операций может применяться конвейерная обработка — как машина CDC 6600 со скалярными функциональными устройствами, так и CDC 7600 с конвейерными попадают в этот класс.
Итак, что же собой представляет каждый класс? В SISD, как уже говорилось, входят однопроцессорные последовательные компьютеры типа VAX 11/780. Однако, многими критиками подмечено, что в этот класс можно включить и векторно-конвейерные машины, если рассматривать вектор как одно неделимое данное для соответствующей команды. В таком случае в этот класс попадут и такие системы, как CRAY-1, CYBER 205, машины семейства FACOM VP и многие другие.
Бесспорными представителями класса SIMD считаются матрицы процессоров: ILLIAC IV, ICL DAP, Goodyear Aerospace MPP, Connection Machine 1 и т.п. В таких системах единое управляющее устройство контролирует множество процессорных элементов. Каждый процессорный элемент получает от устройства управления в каждый фиксированный момент времени одинаковую команду и выполняет ее над своими локальными данными. Для классических процессорных матриц никаких вопросов не возникает, однако в этот же класс можно включить и векторно-конвейерные машины, например, CRAY-1. В этом случае каждый элемент вектора надо рассматривать как отдельный элемент потока данных.
Класс MIMD чрезвычайно широк, поскольку включает в себя всевозможные мультипроцессорные системы: Cm*, C.mmp, CRAY Y-MP, Denelcor HEP,BBN Butterfly, Intel Paragon, CRAY T3D и многие другие. Интересно то, что если конвейерную обработку рассматривать как выполнение множества команд (операций ступеней конвейера) не над одиночным векторным потоком данных, а над множественным скалярным потоком, то все рассмотренные выше векторно-конвейерные компьютеры можно расположить и в данном классе.
Предложенная схема классификации вплоть до настоящего времени является самой применяемой при начальной характеристике того или иного компьютера. Если говорится, что компьютер принадлежит классу SIMD или MIMD, то сразу становится понятным базовый принцип его работы, и в некоторых случаях этого бывает достаточно. Однако видны и явные недостатки. В частности, некоторые заслуживающие внимания архитектуры, например dataflow и векторно—конвейерные машины, четко не вписываются в данную классификацию. Другой недостаток — это чрезмерная заполненность класса MIMD. Необходимо средство, более избирательно систематизирующее архитектуры, которые по Флинну попадают в один класс, но совершенно различны по числу процессоров, природе и топологии связи между ними, по способу организации памяти и, конечно же, по технологии программирования.
Наличие пустого класса (MISD) не стоит считать недостатком схемы. Такие классы, по мнению некоторых исследователей в области классификации архитектур 6,7, могут стать чрезвычайно полезными для разработки принципиально новых концепций в теории и практике построения вычислительных систем.
Основные виды архитектуры ЭВМ
При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру. Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. 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 различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации. Наиболее распространены следующие архитектурные решения.
1. 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. Это однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления. Периферийные устройства подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройство управления, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.
2. Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд (параллельно могут обрабатываться несколько фрагментов одной задачи). Структура такой машины имеет общую оперативную память и несколько процессоров. Такая архитектура применяется для решения задач с огромным объемом вычислений.
3. Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Отдельный компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.
В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений. Существуют и такие архитектурные решения, которые радикально отличаются от рассмотренных.
Классификация ВМ
Многообразие свойств и характеристик порождает различные виды классификации вычислительных машин. Их делят: по этапам развития, по принципу действия, по назначению, по производительности и функциональным возможностям, по условиям эксплуатации, по количеству процессоров и т.д. Четких границ между классами компьютеров не существует.По мере совершенствования структур и технологии производства, появляются новые классы компьютеров (и границы существующих классов существенно изменяются).
1. По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса: аналоговые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ). АВМ – вычислительные машины непрерывного действия, работают с информацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины(механического воздействия, перемещения, электрического напряжения и др.). ЦВМ – вычислительные машины дискретного действия, работают с информацией, представленной в дискретной, а точнее, в цифровой форме. ГВМ – вычислительные машины комбинированного действия, работают с информацией, представленной и в цифровой, и в аналоговой форме (совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ). Их используют в управлении сложными техническими комплексами.
2. По назначениювычислительные машины делятся на три группы: универсальные (общего назначения), проблемно-ориентированные и специализированные.
Универсальные вычислительные машины предназначены для решения самых разных задач: экономических, математических, информационных и других, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных.
Характерными чертами универсальных машин являются:
· разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных, символьных, при большом диапазоне их изменения и высокой точности их представления;
· обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логических, так и специальных;
· большая емкость оперативной памяти;
· развитая организация системы ввода-вывода информации.
Проблемно-ориентированные вычислительные машины служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами; регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных; выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам. Они обладают ограниченными по сравнению с универсальными машинами аппаратными и программными ресурсами. К проблемно-ориентированным вычислительным машинам можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные системы (АСУТП, САПР).
Специализированные вычислительные машины используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая их узкая ориентация позволяет четко специализировать структуру, существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы. К специализированным машинам можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами.
3. По размерам и функциональным возможностям вычислительные машины можно разделить на сверхбольшие (суперЭВМ) – многопроцессорные и (или) многомашинные комплексы, которые используются для решения сложных и больших научных задач — в управлении, разведке, в качестве централизованных хранилищ информации и т.д. Большие (мэйнфреймы) — предназначены для решения широкого класса научно-технических задач. Малые (конструктивно выполненные в одной стойке). Сверхмалые (микроЭВМ).
Заметим, что иногда классификация осуществляется и по иным признакам: например, элементной базе, конструктивному исполнению и др.
Свойства ЭВМ любого типа оценивается с помощью их технико-экономических характеристик, основными из которых являются: операционные ресурсы(характеризуются количеством реализуемых операций, формами представления данных, а также способами адресации), емкость памяти (определяется общим количеством ячеек памяти для хранения информации), быстродействие(определяется числом коротких операций типа сложения, выполняемых за 1 сек), надежность(среднее время работы между двумя отказами),стоимость(это суммарные затраты на приобретение аппаратных и базовых программных средств ЭВМ, а также затраты на эксплуатацию).
Модуль I. Принципы работы и компоненты персонального компьютера
9. Минимальный набор устройств, необходимый для работы каждого компьютера архитектуры фон Неймана, включает в себя … арифметико-логическое устройство, управляющее устройство, память, внешняя память, устройства ввода и вывода
10. Промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий копию той информации, которая хранится в памяти с менее быстрым доступом, но с наибольшей вероятностью может быть оттуда запрошена, называют …кэш
11. Плоттер – это устройство, служащее для …выполнение различных чертежей, схем, рисунков, графиков, карт и т.п.
12. К основным компонентам вычислительных сетей относят … компьютеры, физически объединенных с помощью коммуникационного оборудования и линий связи и логически связанных сетевым программным обеспечением
13. Процессоры на основе x86 команд, вплоть до Pentium 4, имели Cisc архитектуру.
14. Системная шина включает в себя … набор электронных линий, связывающих воедино центральный процессор, системную память и периферийные устройства
15. Самой быстродействующей памятью является …кэш-паматью
16. Регистрацию изображений способны обеспечить …сканер
17. Один из физических каналов ввода-вывода компьютера – разъём – называется аппаратным (-ой) …кабелем
18. Характеристикой сканера, определяющей качество получаемых цифровых изображений, служит (-ат) … количество передаваемых цветов и угол обзора
19. Архитектура процессора, основанная на концепции «более компактные и простые инструкции выполняются быстрее», – это RISC архитектура.
20. К устройствам координатного ввода данных относятся …мышь, джостик, тачпад
21. К базовой конфигурации ПК относятся … системный блок, монитор, клавиатура и мышь
22. В USB флеш-накопителях используются … электронная энергонезависимая перезаписываемая память
23. Логическая организация и структура аппаратных и программных ресурсов вычислительной системы составляет …
24. Параметрами винчестера являются… ёмкость диска, количество поверхностей, скорость вращения шпинделя, объём встроенной кэш-памяти, интерфейс
25. Характеристиками жидкокристаллических мониторов ПК являются … максимальное число отображаемых пикселей по вертикали и горизонтали, размер пикселя, число отображаемых цветов, максимальные яркость и контрастность, угол обзора
26. Функциональная схема ЭВМ
была предложена …
27. На материнской плате ПК размещаются … центральный процессор, контроллеры некоторых устройств (например, клавиатуры, долговременных запоминающих устройств, портов), системные шины с разъемами для подключения дополнительных устройств, разъемы для модулей оперативной памяти, кэш-память, память с программой базовой системы ввода/вывода (BIOS)
28. Принцип записи на перезаписываемые оптические компакт-диски заключается в … благодаря наличию на них особого светочувствительного слоя, выгорающего под воздействием высокотемпературного лазерного луча
29. ОЗУ относится к виду памяти …внутренней
30. Разрешение принтера – это …
31. В фон-неймановской архитектуре компьютера часть процессора, которая выполняет команды, называется …
32. К устройствам только вывода информации относятся …
33. К принципам работы вычислительной системы, сформулированным Джоном фон Нейманом, относятсяпринципы …
34. Внешними запоминающими устройствами являются …
35. 1 Гбайт содержит 2 30 байтов.
36. Основной характеристикой микропроцессора является …
37. По виду вычислительного процесса вычислительные средства подразделяют на …
38. К основным характеристикам микропроцессора относятся…
39. Единица, обозначаемая как dpi, характеризует …
40. Для хранения программ, требующихся для запуска и тестирования компьютера при его включении, необходим (-о) …
41. Для сканирования с приемлемым качеством цветопередачи и хорошей детализацией в домашних условиях используются ____________ и _____________ виды сканеров.
42. Электронная вычислительная машина (ЭВМ) – это … комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации
43. Из компакт-дисков для записи пользователем своих файлов предназначены …
44. Принцип изменения магнитной индукции поверхности носителя используется в накопителях типа …
45. Для долговременного хранения информации предназначены …
46. Возможность обмена данными между компьютерами по обычным телефонным линиям обеспечивают …
47. Наибольший объём информации может хранить (вид памяти) …
48. Использование красящей ленты лежит в основе работы ____________ и ____________ принтеров.
49. К устройствам ввода информации относятся …
50. К аппаратным средствам компьютера относятся…
51. Периферийные устройства выполняют функцию …
52. Электронная микросхема EPROM является …
53. Для вывода точечных (растровых) изображений, созданных пользователем, можно использовать …
54. Для увеличения скорости выполнения математических операций в ПК используется …
55. ПЗС-матрицы используются в таких периферийных устройствах, как …
56. В пустой блок общей схемы компьютера необходимо вписать устройство …
57. Высокоскоростная память, которая принадлежит какому-либо функциональному блоку компьютера и служит для снижения нагрузки на основную память, называется …
58. Среди архитектур ЭВМ выделяют …
59. Архитектура современного персонального компьютера подразумевает такую логическую организацию аппаратных компонентов компьютера, при которой …
60. Как известно, разрядность процессора определяется разрядностью регистров, в которые помещаются обрабатываемые данные. Если регистр имеет разрядность 4 байта, то разрядность процессора равна 32.
61. Такие параметры, как разрешающая способность и производительность, характерны для …
62. Во время выполнения прикладная программа хранится в оперативной памяти.
63. Идею механической машины с идеей программного управления соединил Ч. Беббидж
64. Параметрами любого типа памяти компьютера являются время доступа к памяти, емкость
65. Качество звука, оцифрованного звуковой картой, определяется такими параметрами, как частота дискретизации звука и глубина кодирования
66. Принцип однородности памяти заключается в том, что программы и данные хранятся в одной и той же памяти
67. Сигналы, определяющие характер обмена информацией, передаются по шине …
68. Такие параметры, как разрешение и угол обзора, характерны для устройств …
69. Основными компонентами архитектуры персонального компьютера являются процессор, внутренняя память, видеосистема, устройства ввода-вывода,
70. В компьютере с 64-разрядной шиной данных и 32-разрядной адресной шиной установлена память объемом 16 Мбайт. Разрядность этого процессора равна 64 битам.
71. К основным параметрам лазерных принтеров относятся скорость печати монохромном и цветном режиме, разрешающая способность, формат бумаги.
72. Быстродействие накопителя информации характеризуется средним временем доступа и скоростью передачи.
73. К системе команд электронно-вычислительных машин относятся …
74. Внутренней памятью процессора является регистровая память.
75. К положениям классической архитектуры (фон-неймановской) относятся: 1. Компьютер состоит из нескольких основных устройств. 2. Арифметико-логическое устройство выполняет логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации, хранящейся в памяти. 3. Управляющее устройство обеспечивает управление и контроль всех устройств компьютера. 4. Программа, которая задаёт работу компьютера, и данные хранятся в одном и том же запоминающем устройстве. 5. Для ввода и вывода информации используются устройства ввода и вывода. 6. Данные, которые хранятся в запоминающем устройстве, представлены в двоичной форме
76. Принтеры бывают Матричные. Струйные. Лазерные. Светодиодные. Твердокрасочные. Термосублимационные. Термопринтеры.
77. К функциям процессора относятся вычислительные действия, связанные с обработкой данных и общее управление устройством.
78. В аппаратном подключении периферийных устройств участвуют контроллер (адаптер, плата, карта).
79. Прямым доступом к памяти (DMA) называется режим, при котором DMA-контроллер может получать доступ к системной шине независимо от центрального процессора.
80. Разрядность центрального процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт)
81. BIOS (Basic Input Output System) является мозг всея компьютера
82. Для ввода точечных изображений можно использовать …
83. Во флэш-накопителях используется электронная энергонезависимая перезаписываемая память.
84. В компьютере с 64-разрядной шиной данных и 32-разрядной адресной шиной установлена память объёмом 16 Мбайт. Исходя из данных этой конфигурации, можно утверждать, что процессор 64-разрядный.
85. К основным параметрам планшетных сканеров относятся разрешающая способность и глубина цвета
86. Наибольшую скорость обмена информацией имеет оперативная память.
87. В режиме создания звука в звуковой карте используются методы 1. WT (WaveTable — таблица волн) 2. FM (Frequency Modulation — частотная модуляция).
88. При отключении питания компьютера информация не сохраняется в устройстве памяти ОЗУ.
89. Архитектура ПК, основными признаками которой являются наличие общей информационной шины, модульное построение, совместимость новых устройств и программных средств с предыдущими версиями по принципу «сверху-вниз», носит название «открытая архитектура».
90. Классические принципы построения архитектуры ЭВМ были предложены в 40-х годах ХХ века Дж. фон Нейманом. К этим принципам относятсяпринцип программного управления, принцип однородности памяти, принцип адресности, принцип хранимой программы
91. Модемы бывают 1. аналоговые, dsl. 2. внутренние, внешние. 3. Программные. Полупрограммные. Win-modem. Аппаратные.
92. Длительное хранение информации пользователя обеспечивает ВЗУ (внешнее запоминающее устройство).
93. Динамическая память служит базой для построения оперативной памяти.
94. Информация на магнитных дисках записывается записывается вдоль концентрических окружностей.
95. Чтобы процессор мог выполнить программу, она должна быть запущена.
96. Стример – это устройство для запись и воспроизведение информации, архивация и резервное копирование данных.
97. Деление на дорожки и секторы характерно для жестких дисков , DVD и CD дисков.
98. Статическая память служит базой для построения кэш-памяти и микропроцессорной памяти.
