Архитектура персонального компьютера: понятие и принципы работы
В повседневное использование всё чаще входит понятие «архитектура персонального компьютера», но что оно в себя включает? По факту, это – функциональная система, которая сочетает в себе структурные элементы персонального компьютера (начиная от логических узлов и заканчивая схемами) и его программное обеспечение.
В основе работы современных компьютеров лежит программное управление, которое является базовым принципом их работы. Архитектура компьютера актуализируется в результате создания связей между частями компьютера, а именно – между логическими узлами и другими устройствами. Так, к логическим уздам можно отнести как оперативное запоминающее устройство, так и внешние, и периферийные устройства.
Основные узлы компьютера
Комплекс нескольких логических схем и элементов памяти, создающих выходные сигналы, является узлом ПК. Абсолютно все компьютерные программы или игры имеют требования к основным характеристикам для корректной работы. Все узлы компьютера должны быть максимально совместимы друг с другом. В противном случае работать в программах будет некомфортно.
К перечню подобных узлов системного блока обычно относят:
- Процессор – основополагающий элемент всего функционала компьютера;
- Системная плата, ее еще называют «материнской»;
- Блок питания – необходим для энергоснабжения ПК;
- Жесткий диск – хранилище информации на ПК или ноутбуке;
- Оптический привод – устройство для чтения с внешних носителей, который редко встречается на новейших системах;
- Разъемы для подключаемых устройств.
Классический вариант архитектуры компьютера
Первоначальный состав архитектуры компьютера был предложен ученым Нейманом, который был известным математиком. Он изложил основные принципы конструирования персональных компьютеров, учитывая их логическую структуру. Эта методология, которую предложил Нейман, взята за основу классической архитектуры персонального компьютера. В его состав должны входить следующие основные элементы:
- логико-арифметический блок;
- управленческий блок;
- блок устройства внешней памяти;
- блок оперативной памяти;
- блок ввода-вывода данных.
В соответствии с этой структурой, должен быть соблюден определенный порядок работы элементов компьютера. Изначально производится загрузка информации в память компьютера из программы, что выполняется. Для ввода данных используются внешние устройства компьютера. После этого блок управления переносит эти данные из блока памяти в блок обработки информации. Обработка происходит с помощью различных элементов компьютера.
Оперативная память (RAM).
Оперативная память , называемая также ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) или RAM (Random Access Memory, память с произвольным доступом) – это устройство, в котором находятся работающие в данный момент программы и данные для них. Любая программа перед выполнением должна быть загружена в оперативную память, после чего процессор сможет последовательно извлекать из памяти команды этой программы и выполнять их. Оперативная память, как и процессор, является необходимым устройством – без нее компьютер работать не сможет.
Данные в оперативной памяти хранятся только во время работы компьютера, при его выключении оперативная память очищается.
Оперативная память для ПК выполняется в виде модулей, представляющих собой набор микросхем закрепленных на специальной плате с контактами. Модули памяти вставляются в специальные слоты на материнской плате. Тип модулей памяти должен быть согласован с типом материнской платы и с типом процессора.
Модули памяти отличаются как по конструктивному исполнению (форм-фактор), так и по функциональному типу.
Форм-фактор — это стандарт, определяющий размеры модуля памяти, а также количество и расположение контактов. Существует несколько физически несовместимых форм-факторов памяти: SIMM (30 или 72 контактов, в настоящее время почти не используются), DIMM(168, 184, 200 или 240 контактов), SODIMM (72, 144, 168 или 200 контактов, уменьшенный размер), MicroDIMM (60 контактов, уменьшенный размер), RIMM (168, 184 или 242 контакта, для памяти типа Rambus).
Любая микросхема (чип) модуля памяти состоит из большого количества одинаковых элементарных ячеек, каждая ячейка способна хранить 1 бит данных, т.е. может находиться в одном из 2-х состояний: 0 (выключено) или 1 (включено), переход из одного состояния в другое осуществляется подачей управляющего импульса на эту ячейку.
В настоящее время используются 2 типа элементарных ячеек памяти:
1) Триггеры . Это ячейки, состоящие из 6-7 транзисторов каждая. Триггер способен удерживать состояние 0 или 1 неограниченно долго, пока на него подано напряжение питания.
2) Емкостные ячейки . Каждая такая ячейка состоит из одного транзистора и одного микроконденсатора. Емкостные ячейки значительно меньше и проще по структуре, чем триггеры, но они обладают одним существенным недостатком – сохраняют свое состояние очень ограниченное время.
В соответствии с используемыми типами ячеек, строятся различные функциональные типы памяти:
1) Статическая память SRAM (Static RAM) строится из триггеров это наиболее надежный, но и наиболее дорогой, громоздкий и энергоемкий тип памяти. Статическая память используется для построения кэш-памяти, буфера жесткого диска и для других наиболее ответственных узлов.
2) Динамическая память DRAM (Dynamic RAM) строится из емкостных ячеек. Однако ограничиться только емкостными ячейками нельзя – такая память сможет хранить данные только в течение долей секунды. Поэтому, необходимым элементом динамической памяти является буфер , состоящий из триггеров, а необходимым условием работы такой памяти — процесс регенерации, состоящий в постоянном автоматическом считывании в буфер данных из различных блоков емкостных ячеек и перезаписи этих данных обратно. Таким образом, в динамической памяти реализуется непрерывный процесс перезаписи данных через буфер, что и объясняет ее название.
Объем оперативной памяти , установленной в ПК – это одна из главных характеристик, определяющих производительность компьютера. Быстродействие компьютера зависит от объема оперативной памяти не меньше (а часто и больше!), чем от тактовой частоты процессора. Это объясняется тем, что современное программное обеспечение характеризуется большим объемом кода программ, а для эффективной работы компьютера необходимо, чтобы все выполняющиеся в данный момент программы и все данные к ним находились в оперативной памяти.
Если выполняющаяся программа не помещается в оперативную память, сбоя не происходит – вся программа или ее часть выгружается на жесткий диск,- но работа компьютера при этом резко замедляется. Таким образом, объем оперативной памяти должен быть достаточным с точки зрения используемого программного обеспечения. Например, для офисного компьютера при использовании в основном программ пакета Microsoft Office (MS Word, MS Excel, MS Power Point, MS Access) под операционной системой Windows XP необходимо не менее 256 MB оперативной памяти. При использовании же компьютера в качестве графической станции, для видеомонтажа или для трехмерных игр потребуется уже не менее 1 GB памяти.
Следует отметить, что если объем оперативной памяти таков, что всегда все выполняющиеся программы помещаются в оперативную память, дальнейшее увеличение объема памяти не приведет к повышению производительности компьютера. Поэтому объем памяти всегда нужно выбирать оптимальным, исходя из тех задач, для которых будет использоваться компьютер.
Еще одним важным параметром памяти является ее пиковое быстродействие ( пропускная способность ), т.е. максимальная скорость, с которой могут происходить операции чтения/записи данных. Эта величина определяется типом памяти, который, в свою очередь, определяется типом материнской платы. Пропускная способность обозначается количеством передаваемых в секунду бит, например, PC-4200 (4200 Mб/с), PC-6000 (6000 Mб/с).
Память
У памяти выходные значения зависят не только от входных, то есть она способна запоминать. Концептуально все схемы памяти похожи (рис. 2.1), память может «запоминать» благодаря тому, что она «замкнута», то есть верхний вентиль зависит от выходного значения нижнего, а нижний зависит от выходного значения верхнего.
Рисунок 2.1. SR защелка.
Прежде чем использовать защелку, ее необходимо инициализировать. Инициализировать значит перевести ее в такое состояние, когда Q != !Q, это необходимо для того, чтобы защелка могла корректно работать, то есть корректно менять свое состояние (Q) между 0 и 1. Для инициализации нам необходимо подать на S и R такие значения при которых защелка перейдет в непротиворечивое состояние (Q != !Q); когда защелка только начинает работать, то в Q и !Q могут быть любые неизвестные нам значения, поэтому значения S и R не должны зависеть от значений в Q и !Q. Другими словами, нам нужны такие значения S и R при которых мы получим в Q и !Q противоположные значения.
Рассматривать последовательность действий можно по-разному: мы можем предположить, что на S сигнал поступает быстрее, чем на R и тогда верхний вентиль повлияет на результат работы нижнего; или наоборот, сигнал до R дойдет быстрее, но это не важно, результаты будут одинаковы. В нашем примере я буду предполагать, что сигнал S приходит быстрее, а что же дальше? Какое второе значение будет у верхнего вентиля? Как было сказано выше, мы не должны делать предположений о значении Q (или !Q), поэтому мы должны рассматривать обе ситуации: Q=0 и Q=1. Теперь все, что нам остается, так это проверить все (табл. 1.6) комбинации S, R и Q.
Таблица 1.6. Таблица истинности SR защелки.
| S | R | Q | !Q | новое Q | новое Q != !Q | Q == новое Q |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Для SR защелки построенной на основе ИЛИ-НЕ (рис. 2.1) значения для S и R будут равны 0 и 0, соответственно, потому, что значения в столбцах «новое Q != !Q» и «Q == новое Q» должны быть истинны сразу для Q=0 и Q=1. Например, при S=0, R=1, в случае с Q=0 все в порядке, но при Q=1 у нас меняется состояние Q c 1 на 0, а этого быть не должно так как, тогда без нашего ведома защелка поменяет состояние. Точно также можно построить SR защелку (и другие) на основе И-НЕ, только инициализировать значения S и R придется 1 и 1, соответственно. Давайте рассмотрим, как происходит инициализация со значениями в Q=0 и Q=1.
Когда мы подаем на входы S, R сигналы 0, а в Q хранится значение 0, то в верхний вентиль ИЛИ НЕ поступают два нуля 0, на выходе у него будет 1 (табл. 1.0). Далее в нижний вентиль ИЛИ-НЕ поступают 0 и 1, на выходе будет 0; то есть у нас получилось не противоречивое состояние защелки (рис. 2.2a). В данном случае выходное значение защелки равно 0 (Q), то есть она хранит значение 0.
В ином варианте мы можем подать на входы S, R сигналы 0, а в Q хранится значение 1. В верхний вентиль ИЛИ-НЕ поступают 0 и 1, что на выходе дает 0. В нижний вентиль ИЛИ-НЕ поступают 0 и 0, на выходе будет 1; Снова мы попали в не противоречивое состояние защелки (рис. 2.2б). Выходное значение защелки равно 1.
АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Термин персональный компьютер был введен фирмой IBM для первых настольных компьютеров, предназначенных для индивидуального использования, в начале 80-х годов.
Под архитектурой ПК понимается его логическая организация, структура, ресурсы, т.е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени. Архитектура современных ПК построена на магистрально-модульном принципе. Модульный принцип позволяет потребителю самому подобрать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости его модернизацию.
Компьютер имеет следующие компоненты: системный блок, монитор, клавиатура, мышь, колонки, принтер, сканер, внешний модем.
Основной частью компьютера является системный блок, в котором имеются: блок питания; материнская плата, по которой осуществляется информационная связь между различными компонентами; процессор, т.е. главная микросхема, производящая операции по обработке данных и управлению устройствами; оперативная память, где находятся данные, с которыми работает процессор; жесткий диск, на котором хранятся данные пользователя; видеоплата, осуществляющая обработку видеоданных для дисплея; звуковая плата, обрабатывающая звуковые данные и выводящая их в виде звука с помощью колонок; накопители для CD-дисков и DVD-дисков; порты ввода/вывода, предназначенные для пересылки данных с/на внешние устройства.
Одним из существенных достоинств современного ПК является гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования и в быту.
Резюме
Итак, мы определили сущность термина «архитектура компьютерной системы», то, каким образом он может рассматриваться в зависимости от того или иного контекста. В соответствии с одним из традиционных определений, под соответствующей архитектурой может пониматься аппаратная структура ПК, предопределяющая уровень его производительности, специализацию, требования к квалификации пользователей. Данный подход предполагает классификацию современных компьютерных архитектур на 3 основные категории — мейнфреймы, мини-ЭВМ, а также ПК (которые, в свою очередь, также могут быть представлены различными разновидностями вычислительных решений).
Как правило, каждый тип указанных архитектур рассчитан на решение определенных задач. Мейнфреймы и мини-ЭВМ чаще всего находят применение в промышленности. С помощью ПК также можно решать широкий круг производственных задач, осуществлять инженерные разработки — для этого также приспособлена соответствующая архитектура компьютерных систем. Лабораторные работы, научные эксперименты с такой техникой становятся понятнее и эффективнее.
Еще одна трактовка термина, о котором идет речь, предполагает его соотнесение с конкретными уровнями программного обеспечения. В этом смысле архитектура компьютерных систем — рабочая программа, обеспечивающая функционирование ПК, а также создающая условия для использования его вычислительных мощностей на практике в целях решения тех или иных пользовательских задач.
