Архитектура ПК. Архитектура персонального компьютера и периферийные устройства Содержание
В Брукс. 1962 г
Введение.
В нашу жизнь прочно вошел персональный компьютер. На работе и дома он занимает большую часть нашего времени. Ни один офис в стране не обходится без этого «чуда техники», а в квартире каждой семьи находится либо персональный компьютер, либо ноутбук, либо, как минимум планшет или телефон с операционной системой, которые, в последнее время по характеристикам не уступают компьютерам. Причем в офисе, как правило используют традиционные компьютеры, в комплектации с системным блоком и монитором, в комплексе работающие со сканерами, принтерами или многофункциональными устройствами. Дома, чаше используют более мобильные устройства, занимающие меньше места: ноутбуки и моноблоки, хотя истинные «ценители», все-таки предпочитают классический вариант, когда системный блок легко «апгрейдить», а если пролить кофе на клавиатуру, то её можно без проблем заменить, в отличии от ноутбука, который после такого несчастья может не восстановиться.
Перед покупкой нового компьютера всегда возникает вопрос: как купить такую машину, чтобы она отличалась надежностью, высокой скоростью выполнения операций и скоростью передачи данных и чтобы покупка была «по карману». Все эти вопросы обусловливают актуальность темы реферата, ведь изучив архитектуру персонального компьютера, сложные цифры и обозначения, используемые в описании характеристик компьютерного оборудования, перестанут быть сложными и непонятными. Возникнет понимание проблемы, а, следовательно, и пути ее решения!
1. Архитектура компьютера. Понятие. Историческая справка.
1.1. Понятие архитектуры персонального компьютера.
Архитектура компьютера — логическая организация и структура аппаратных и программных ресурсов вычислительной системы. Архитектура заключает в себе требования к функциональности и принципы организации основных узлов электронно-вычислительной машины (далее — ЭВМ).
Электронная вычислительная машина (ЭВМ) или компьютер –универсальное устройство для автоматической цифровой обработки информации, выполненное на электронных приборах. Принцип действия ЭВМ состоит в выполнении программы – заранее заданной, четко определенной последовательности арифметических, логических и других операций. Основные задачи ЭВМ:
–ввод и вывод информации.
Любой персональный компьютер состоит из двух основных частей — системного блока и периферийных устройств. Периферийными мы будем назвать все то, что находится за пределами системного блока, — монитор, клавиатуру, мышь и т. д. Все это представляет собой единый комплекс, каждая деталь которого полноценно функционирует лишь в совокупности с другими. Так, монитор, клавиатура, мышь, колонки, принтер без системного блока — абсолютно бесполезные вещи. Сам компьютер будет работать и без периферии, но и мы не извлечем из этого никакой пользы. Итак, к устройствам, необходимым для работы компьютера, мы отнесем системный блок, монитор, клавиатуру и мышь. Исключив хотя бы одно из этих приспособлений, мы не сможем пользоваться компьютером. [] Эти устройства мы будем считать архитектурой персонального компьютера и рассмотрим более подробно ниже.
Для начала вернемся в прошлое и рассмотрим как начиналось изучение архитектуры компьютера.
Наиболее известны и используются в современном мире два типа архитектуры (гарвардская и пристонская). Рассмотрим каждую из них.
1.2. Пристонская архитектура персонального компьютера.
Американский ученый Джон фон Нейман в 1945 году впервые ответил на вопрос «Какую систему мы называем компьютером, и какие основные элементы и устройства должны входить в ее состав». Он составил модель универсального вычислительного устройства и назвал его «Компьютер фон Неймана». Модель можно изобразить в виде схемы. (Рис.1)
Рисунок 1. Модель компьютера фон Неймана.
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.
Конспект урока «Архитектура персонального компьютера»
На этом уроке мы с вами познакомимся с магистрально-модульным принципом построения компьютера, узнаем, что относится к основным логическим узлам компьютера, рассмотрим, какие устройства находятся на материнской плате, и многое другое.
Компьютер – это многофункциональное электронное устройство, предназначенное для накопления, обработки и передачи информации.
К основным логическим узлам компьютера относятся центральный процессор, основная память, внешняя память, периферийные устройства.
Персональные компьютеры начали появляться благодаря развитию микропроцессоров в 1980-х годах.
Архитектура персонального компьютера – это логическая организация, структура и ресурсы, то есть средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определённый интервал времени.
В основе архитектуры современных персональных компьютеров лежит магистрально-модульный принцип. Давайте рассмотрим рисунок.
Итак, перед вами изображена архитектура персонального компьютера. На ней изображены функциональные блоки персонального компьютера, к которым относятся устройства ввода/вывода, внешние запоминающие устройства, центральный процессор, память и видеопамять. Все эти блоки соединены между собой информационной магистралью, которая называется системной шиной. Она состоит из трёх частей: шина данных, шина адреса, шина управления. Шина данных используется для передачи данных к функциональным блокам. Шина адреса предназначена для передачи адресов устройств, которым передаются данные. И последняя, шина управления используется для передачи управляющих сигналов, которые синхронизируют работу разных устройств. То есть через шину передаются все данные от одного устройства к другому.
Также на рисунке у нас есть такие элементы, как контроллеры. Контроллеры – это периферийные устройства, которые управляют внешними устройствами. Передача всех данных осуществляется через шину.
Также мы можем видеть на рисунке сплошные и пунктирные стрелки. Сплошными стрелками изображены направления потоков информации, а пунктирными – направление управляющих сигналов.
В этой архитектуре существует такое значительное достоинство, как принцип открытой архитектуры. То есть мы можем подключать к компьютеру новые устройства или заменять старые на более современные. Для каждого типа и модели устройства используется свой контроллер.
Например, если мы подключим компьютерную мышь через USB-порт, то она определится у нас на компьютере только после установки в операционную систему специальной программы для управления этим устройством. Такие программы называются драйверами устройств.
Таким образом, можно сформулировать следующее определение: открытая архитектура персонального компьютера – это архитектура, предусматривающая модульное построение компьютера с возможностью добавления и замены отдельных устройств.
Это то, что касается принципов обмена информацией между устройствами.
Материнская плата – это сложная многослойная печатная плата, являющаяся основой построения вычислительной системы.
Изначально дополнительные устройства (например, внутренний модем, сетевой адаптер беспроводной связи Wi-fi, звуковая плата и так далее) подключались к материнской плате с помощью слотов расширения и разъёмов.
В наше время такая необходимость отпала, так как большинство дополнительных устройств уже встроены в современные материнские (системные) платы.
Основными (несъёмными) частями материнской платы являются разъём процессора, разъёмы оперативной памяти, микросхемы чипсета, загрузочное ПЗУ, контроллеры шин и их слоты расширения, контроллеры и интерфейсы периферийных устройств.
Важнейшей частью материнской платы является чипсет. Чипсет – это набор микросхем, который связывает память, процессор, видеоадаптер, устройства ввода/вывода и другие элементы персонального компьютера, для выполнения совместных функций.
В современных компьютерах находятся две основные большие микросхемы чипсета: контроллер-концентратор памяти (северный мост) и контроллер-концентратор ввода/вывода (южный мост).
Давайте рассмотрим схему архитектуры персонального компьютера.
Северный мост отвечает за работу процессора с оперативной памятью и видеосистемой. От его параметров (тип, частота, пропускная способность) зависят параметры подключённых к нему устройств: системной шины, оперативной памяти, видеоадаптера. Северный мост подключается напрямую к центральному процессору через системную шину.
Южный мост обеспечивает работу с внешними устройствами и обычно подключается к центральному процессору через северный мост при помощи внутренней шины.
Все устройства компьютера соединены между собой шинами различных видов.
Быстродействие процессора, оперативной памяти и периферийных устройств существенно различаются. Быстродействие устройства, в свою очередь, зависит от тактовой частоты обработки данных, которая обычно измеряется в мегагерцах, и разрядности. Разрядность – это количество битов данных, обрабатываемых за один такт. Такт – это промежуток времени между подачами электрических импульсов, которые синхронизируют работу устройств компьютера.
Пропускная способность шины – это скорость передачи данных между устройствами, которые она соединяет. А исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что скорость передачи данных различных шин будет также отличаться. Рассмотрим формулу для вычисления пропускной способности шины (измеряется в битах в секунду). Она равна произведению разрядности шины и частоты шины. Разрядность измеряется в битах, частота – в герцах, в свою очередь, 1 герц равен 1 такту в секунду.
Например, для быстрой работы компьютера пропускная способность шины оперативной памяти должна совпадать с пропускной способностью шины процессора.
Как говорилось ранее, Северный мост связан с процессором системной шиной. Например, если разрядность системной шины составляет 64 бита, а частота – 1066 МГц, то пропускная способность будет равна:
64 · 1066 = 68 224 Мбит/с ≈ 66,6 Гбит/с ≈ 8 Гбайт/с.
Перейдём к частоте процессора. Тактовая частота процессора показывает, сколько процессор может произвести вычислений в единицу времени. Из этого следует вывод, что чем больше частота, тем больше операций в единицу времени может выполнить процессор. Тактовая частота современных процессоров составляет от 1 до 4 ГГц. Рассмотрим формулу. Тактовая частота равна произведению внешней или базовой частоты на определённый коэффициент. Коэффициент зависит от характеристик процессора. Например, процессор Intel Core i7 920 использует частоту шины 133 МГц и множитель 20. Значит, тактовая частота будет равна:
133 · 20 = 2660 МГц.
Шина памяти соединяет оперативную память и северный мост, и, соответственно, служит для передачи данных между этими устройствами.
Частота шины памяти может быть больше частоты системной шины.
Следующая шина, которую мы рассмотрим, – PCI Express. Она соединяет видеоплату с северным мостом.
Так как в наше время очень быстро развивается компьютерная графика, то потребность в скорости передачи данных от видеоплаты к оперативной памяти и процессору возрастает. Наибольшее распространение получила шина PCI Express – это ускоренная шина взаимодействия периферийных устройств. Её пропускная способность может достигать до 32 гигабайт в секунду.
К самой же видеоплате с помощью аналогового разъёма VGA (графический адаптер) или цифрового разъёма DVI (цифровой видеоинтерфейс) подключается монитор или проектор.
Жёсткие диски, CD-дисководы, DVD-дисководы подключаются к южному мосту при помощи шины SATA – это последовательная шина подключения накопителей.
Скорость передачи данных по ней может достигать 300 Мбайт в секунду.
Для подключения периферийный устройств (принтера, клавиатуры, сканера и других), которые имеют USB-выход, к южному мосту используется шина USB – это универсальная последовательная шина.
Её пропускная способность достигает 60 Мегабайт в секунду. При помощи шины USB к компьютеру можно одновременно подключить до 127 периферийных устройств.
При увеличении производительности процессора происходит увеличение производительности самого компьютера.
Увеличение производительности процессора происходит за счёт увеличения частоты. Но, как говорится, всему есть свой предел. При увеличении частоты процессора происходит также увеличение тепловыделения, которое не может быть не ограниченным. Выделение процессором теплоты Q пропорционально потребляемой мощности P, которая, в свою очередь, пропорциональна квадрату частоты.
Поэтому для того, чтобы увеличить производительность процессора, начали увеличивать количество ядер процессора (арифметических логических устройств).
В 2005 году был создан первый двухъядерный микропроцессор. Это сделали практически одновременно две фирмы – Intel и AMD. Такая архитектура позволяет производить на персональном компьютере параллельную обработку данных, что существенно увеличивает его производительность. Можно сказать, что в архитектуре находятся 2 центральных процессора, работа которых согласована между собой, и они объединены между собой, например, контроллером. За счёт этого поток данных идёт не к одному центральному процессору, а разделяется на два. И увеличивается быстродействие компьютера.
В настоящее время количество ядер в микропроцессорах достигает 8.
А сейчас пришло время подвести итоги урока.
Сегодня мы с вами познакомились с магистрально-модульным принципом построения компьютера. Рассмотрели, какие устройства находятся на материнской плате. А также подробно ознакомились с архитектурой персонального компьютера.
Многопроцессорная архитектура ПК: особенности и нюансы
Если в компьютере несколько процессоров, то его работа выглядит следующим образом – много различных потоков информации реализуются одновременно. Конечно, такие компьютеры имеют преимущества перед компьютерами с одним процессором.
Рисунок 3. Архитектура многопроцессорного ПК
Внутреннее устройство компьютера
У каждого ПК или ноутбука есть:
— основные устройства, без которых он просто не сможет работать либо выполнять универсальные задачи. Они присутствуют на каждом современном ПК.
— дополнительные устройства. Этот класс аппаратуры служит для выполнения определенных специфических задач. Про такие девайсы я подробнее расскажу в конце статьи.
1. Материнская плата.
Самое главное устройство компьютера, можно сказать — его основа.
Если открыть корпус, то её очень просто найти — она самая большая из всех. Выглядит она так:
Слово «материнская» произошло от буквального перевода английского слова «Motherboard».
А вообще, по-русски, правильнее называть её системной или основной, так как на ней базируется вся система и именно к её портам, слотам и разъёмам подключаются другие комплектующие и периферийные устройства.
2. Центральный процессор
Пламенным «мотором» любой компьютерной системы является Процессор. По английски он называется CPU — Central Processing Unit, что на русский переводится, как Центральное Вычислительное Устройство. Думаю, по названию понятно, что весь объем вычислений и обработки данных это устройство ПК берет на себя. На него идет самая большая вычислительная нагрузка. И именно поэтому процессор как правило очень сильно греется. На сегодняшний день есть два основных производителя процессоров для компьютеров и ноутбуков — это Intel и AMD.
Сейчас для повышения эффективности и многозадачности процессоры идут многоядерные, хотя буквально 10 лет назад они были в основном с одним ядром.
3. Жесткий диск
Чтобы обрабатывать данные, их надо сначала на чем-то хранить. Для этих целей существует еще одно основное устройство хранения информации — жесткий диск. Это постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Он может представлять собой классический HDD — Hard Disk Drive.
На сегодняшний день это уже устаревшее устройство и его плавно вытесняет с рынка более новый, быстрый и надежный SSD-накопитель (Solid-State Drive — твердотельный накопитель.
).
У него нет механических частей, за счет чего этот девайс значительно меньше, легче и не так греется.
Сейчас активно развивается направление микрокомпьютеров, где все основные устройства ПК располагаются на одной плате. У них в качестве жесткого диска используется карта памяти SD или Micro SD.
4. Оперативная память
ОЗУ — RAM — это тоже запоминающее устройство, но только в отличие от жесткого диска она значительно меньшего объёма и используется для краткосрочного хранения самых необходимых операционной системе данных. То есть в оперативную память копируется то, что нужно компу для выполнения текущих задач. Как только эта задача будет выполнена — её данные будут выгружены из ОЗУ.
Вся оперативная память на компьютере должна быть одного стандарта. Поставить разные планки RAM не получится. В лучшем случае ПК не запуститься. В худшем — сгорит сама планка или слот под неё.
5. Видеокарта
Это то устройство компьютера или ноутбука, которое отвечает за вывод изображения на монитор. Есть два вида видеоадаптеров:
Интегрированный или встроенный в материнскую плату.
Дискретный — отдельная видеокарта, подключаемая через специальный разъём на матплате.
За работу видеадаптера отвечает специальный отдельный чип — GPU. У дискретного видеоадаптера как правило есть своя оперативная память, предназначенная для обработки графической информации в играх и приложениях для работы с графикой и 3D.
6. Звуковая карта
Это специальное устройство компа, предназначенное для работы со звуком и вывода звука на подключенные динамики. Не так давно звуковой адаптер был необязательным и практически периферийным устройством и выглядел примерно так:
Но последние годы звуковой чип уже интегрирован в материнскую плату и стал неотъемлемым основным устройством современного компьютера.
7. Блок питания
Без электроэнергии компьютер работать не будет. Поэтому в любой вычислительной технике есть специальный блок питания.
Он подключается к электрической розетке и обеспечивает электропитание всех узлов ПК.
8. Корпус
Это жестяная или пластиковая коробка с креплениями, в которую устанавливаются все комплектующие части компьютера. Никаких технологических сложностей в корпусе нет — пара кнопок и несколько индикаторов.
Итак, основные устройства и узлы персонального компьютера я перечислил. Лет 5 назад к ним можно было отнести ещё и приводы для чтения дисков CD и DVD. Но сейчас, во время бурного наплыва USB флешек они практически полностью потеряли актуальность и сейчас пользователи вполне обходятся без них.
Интересное по теме:
Что собой представляет архитектура ПК
Архитектура современного ПК представляет собой логическую организацию, структуру и ресурсы, то есть механизмы вычислительной системы. Последние могут выделяться на определенный временной интервал для процесса обработки информации.
Правила построения персонального компьютера
Основой современной вычислительной машины являются принципы архитектуры ПК, сформулированные Джоном Нейманом:
1. Программное управление. Состоит из группы команд, которые выполняет процессор автоматически (одну за другой в определенной последовательности).
2. Однородность памяти. Программы и другие данные хранятся в одном разделе памяти. Одни и те же действия выполняются и над данными, и над командами.
3. Адресность. Основная память состоит из пронумерованных секторов (ячеек).
Построение персонального компьютера
Классическая архитектура ПК строится на вышеперечисленных принципах. Она определяет условия работы, информационные связи, взаимное соединение главных логических узлов персонального компьютера. К ним относятся внешняя и основная память, центральный процессор и периферийные устройства.
Персональный компьютер конструктивно выполнен в виде основного системного блока. К нему через специализированные разъемы присоединяются периферийные устройства. Архитектура ПК содержит следующие основные узлы: системную плату, блок питания, накопители на жестком магнитном и оптическом дисках, интерфейсы для дополнительных и внешних устройств. В свою очередь, на материнской (системной) плате располагаются микропроцессор, тактовый генератор импульсов, математический сопроцессор и микросхемы памяти. А также таймер, контроллеры периферийных устройств, видео- и звуковая карта.
Архитектура ПК основана на модульно-магистральном принципе. Данное правило позволяет пользователю самостоятельно комплектовать требуемую конфигурацию персонального компьютера, а также (при необходимости) производить ее модернизацию. Удобство модульной организации системы заключается в магистральном принципе обмена данными. Контроллеры всех устройств взаимодействуют с оперативной памятью и микропроцессором через главную магистраль передачи информации, которую называют «системной шиной». Она выполнена в виде печатного моста на материнской плате. Системная шина – это главный интерфейс вычислительной машины, и вся архитектура ПК построена вокруг нее. Именно этот элемент обеспечивает связь и сопряжение всех устройств друг с другом. Системная шина производит три направления передачи данных:
— между основной памятью и микропроцессором;
— между портами ввода и вывода внешних устройств и процессором;
— между портами и основной памятью.
Внешние устройства персонального компьютера обеспечивают связь последнего с окружающей средой: объектами управления, пользователями и другими вычислительными машинами.
Основные функциональные характеристики ПК:
1. Быстродействие, производительность, тактовая частота.
2. Разрядность кодовых шин интерфейсов и микропроцессора.
3. Типы локальных и системных контроллеров.
4. Размер оперативной памяти.
5. Емкость жесткого диска.
6. Наличие, размер и виды кэш-памяти.
7. Тип видеоадаптера.
8. Вид мультимедийных аудиосредств.
9. Программное обеспечение.
10. Аппаратная совместимость с другими персональными компьютерами.
11. Возможность работы машины в вычислительной сети, а также в многозадачном режиме.
