Структура современных компьютеров
Структурно современный ПК состоит из двух основных частей: центральной и периферийной. К центральной обычно относят центральный процессор и внутреннюю память.
Центральным процессором (ЦП) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет памятью и координирует работу других устройств компьютера.
обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операции;
управление работой устройств компьютера.
Процессоры современных ПК выполняются в виде микропроцессора.
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.
В состав микропроцессора входят АЛУ, устройство управления, внутренние регистры. Устройство управления 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 точкой.
В современных микропроцессорах в основу работы каждого блока положен принцип конвейера, который заключается в следующем: реализация каждой машинной команды разбивается на отдельные этапы (как правило, это выборка команды из памяти, декодирование, выполнение и запись результата). Выполнение следующей команды программы может быть начато до завершения предыдущей (например, пока первая команда выполняется, вторая может декодироваться, третья выбираться и т.д.). Таким образом, микропроцессор выполняет несколько следующих друг за другом команд программы, и время на выполнение блока команд уменьшается в несколько раз. Если в микропроцессоре имеется несколько блоков обработки, в основу работы которых положен принцип конвейера, то его архитектуру называют суперскалярной.
Поскольку в программе могут встречаться команды передачи управления, выполнение которых зависит от результатов выполнения предшествующих команд, в современных микропроцессорах при использование конвейерной архитектуры предусматриваются механизмы предсказания переходов — так называемое «исполнение по предположению с изменением последовательности». Это означает, что если в очереди команд появилась команда условного перехода, предсказывается, какая команда будет выполняться следующей до определения признака перехода. Выбранная ветвь программы выполняется в конвейере, но запись результата осуществляется только после вычисления признака перехода в случае, если переход выбран верно. Если выбор ветви программы ошибочен, микропроцессору приходиться вернуться назад и выполнить правильные операции в соответствии с вычисленным признаком перехода.
В составе микропроцессора может присутствовать кэш-память или сверхоперативная память — очень быстрая память небольшого объема, которая используется при обмене данными между микропроцессором и менее быстродействующей ОП для компенсации разницы в скорости обработки информации. 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 уровня. 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.
Микропроцессор обменивается информацией с внешними устройствами через системную шину. Еще одной характеристикой микропроцессора является соответствие его внутренней разрядности внешней шины. Емкость памяти, адресуемой микропроцессором, определяется разрядностью внешней шины адреса.
Большинство задач, решаемых на ПК, не требуют сложных математических вычислений. Это относится к работе с текстовыми данными, сетевыми операционными системами. В других случаях — при решении сложных математических и физических задач, задач моделирования, для работы с трехмерной графикой, электронными таблицами, издательскими пакетами — важным параметром является скорость выполнения операций с плавающей точкой, на которые универсальные процессоры тратят достаточно много времени. Для таких задач в некоторых компьютерах предусмотрено использование специального устройства, называемого математическим сопроцессором (специализированная интегральная микросхема, работающая во взаимодействии с центральным процессором и предназначенная для выполнения математических операций с плавающей точкой).
ЦП взаимодействует с внутренним ЗУ, называемым оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) или оперативной памятью (ОП). ОП предназначена для приема, хранения и выдачи информации (чисел, символов, команд, констант), т.е. 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.
Для хранения больших объемов информации, которые не используются в данный момент времени процессором, предназначаются внешние запоминающие устройства (ВЗУ). К ним относятся: накопители на магнитных дисках; накопители на магнитных лентах; накопители на оптических и магнитооптических дисках.
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.
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. Связь между устройствами ПК осуществляется с помощью сопряжений, которые в вычислительной технике называются интерфейсами.
Интерфейс представляет собой совокупность стандартизованных аппаратных и программных средств, обеспечивающих обмен информацией между устройствами. В основе построения интерфейсов лежат унификация и стандартизация (использование единых способов кодирования данных, форматов данных, стандартизация соединительных элементов — разъемов и т.д.). Наличие стандартных интерфейсов позволяет унифицировать передачу информации между устройствами независимо от их особенностей.
В настоящее время для разных классов ЭВМ применяются различные принципы построения системы ввода-вывода и структуры вычислительной машины. 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.
Количество проводов в системной шине, предназначенных для передачи непосредственно информации, называется разрядностью шины. Разрядность шины определяет число битов информации, которые могут передаваться по шине одновременно. Количество проводов для передачи адресов или адресных линий определяет, какой объем оперативной памяти может быть адресован. Так как шина является общей для всех устройств компьютера, в нем предусмотрена система приоритетных прерываний, устанавливающая, какое из устройств системы займет шину в данный момент времени. Поэтому каждому устройству, подключенному к шине, присваивается свой приоритет.
Рис. 2 Шинная структура ПК; ЦП — центральный процессор, ОП — оперативная память, ПП — постоянная память, К — контроллер, ПУ — периферийное устройство
Внешние устройства подключаются к системной шине с помощью контроллеров или адаптеров, представляющих собой специальные платы, различные для разных типов внешних устройств: например, контроллер жестких дисков, контроллер последовательных и параллельных портов для подключения принтера, мыши, модема, видеоадаптер для подключения дисплея и другие. Контроллер — устройство управления соответствующим внешним устройством. Основное назначение синхронизация работы внешних устройств с внутренним оборудованием.
Порты ввода-вывода реализуют ввод-вывод данных, различают последовательный порт, параллельный порт, инфракрасный порт.
Последовательный порт передает информацию по одному биту. В ПК можно использовать до четырех последовательных портов — COM1, COM2, COM3, COM4. Через них подключаются такие устройства, как мышь, внешний модем и плоттер.
Параллельный порт передает информацию побайтно. Максимально ПК может использовать три параллельных порта — LPT1, LPT2, LPT3. Они используются для подключения принтера, сканера и другие.
Инфракрасные порты обеспечивают беспроводное взаимодействие устройств.
Шина делится на три отдельные шины по типу передаваемой информации:
Шина адреса предназначена для передачи адреса ячейки памяти или порта ввода-вывода. Ширина шины адреса определяет максимальное количество ячеек, которое она может напрямую адресовать;
Шина данных предназначена для передачи команд и данных, и ширина во многом определяет информационную пропускную способность общей шины. В современных компьютерах ширина шины данных составляет 32-64;
Шина управления включает в себя все линии, которые обеспечивают работу общей шины. Ее ширина зависит от типа шины и определяется алгоритмом ее работы или, как говорят, протоколом работы шины. Протокол работы шины состоит из нескольких циклов и выполняется контроллером шины, расположенным внутри процессора, или отдельным контроллером шины.
В качестве запоминающих элементов оперативной памяти используются большие интегральные микросхемы. Наиболее важные характеристики памяти — ее емкость (объем хранимой информации) и время доступа.
В современных компьютерах обычно используется оперативная память динамического типа, поэтому для повышения производительности системы используется кэш-память, время обращения к которой соизмеримо с тактом работы процессора. Блок данных, обрабатываемый процессором, размещается в кэш-памяти, а обращение к оперативной памяти происходит только тогда, когда нужные данные не содержатся в кэш-памяти. Таким образом, использование кэш-памяти дает возможность согласовать по скорости работу процессора и оперативной памяти на элементах динамического типа.
В современных ПК имеется, как правило, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) (ROM — Read Only Memory) — энергозависимая память, использующаяся для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом «зашивается» в устройство при его изготовлении. Из ПЗУ можно только читать однажды занесенные в нее данные. Важнейшей функцией этой памяти является хранение BIOS (Basic Input Output System — базовая система ввода-вывода). ВIOS обеспечивает инвариантность программных средств к архитектуре системной платы и содержит необходимый набор программ ввода-вывода, обеспечивающих работу периферийных устройств. Также в ПЗУ содержится программа тестирования при включении компьютера POST (Power On Self-Test), программа начального загрузчика, выполняющего функцию загрузки оперативной системы с диска.
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, монитор, принтер, сканер, внешний модем и другие), так и устройства, размещаемые внутри него (накопители на дисках, контроллеры устройств, внутренние факс-модемы и другие).
Модули оперативной памяти.
В современных ЭВМ оперативная память (ОЗУ) имеет модульную структуру. Сменные модули могут иметь различное конструктивное исполнение (SIMM; DIMM). Увеличение объема оперативной памяти обычно связано с установкой дополнительных модулей.
SIMM и DIMM модули.
SIMM (Single In Memory Module) —
э т о однорядный модуль памяти, которые имеют 30 — контактное исполнение (30-pin). Модули памяти представляют собой небольшие текстолитовые платы с печатным монтажом и установленными на них микросхемами памяти в DIP (Dual In line Package) — корпусах.
Модули устанавливаются в специальные разъемы SIMM — сокеты (sockets).
DIMM — это двухрядный модуль памяти. Преимуществом DIMM является 64-битный обмен данными, благодаря чему на плате Pentium может использоваться один модуль DIMM, тогда как эта плата требует использования двух модулей SIMM.
Кэш- память.
С точки зрения пользователя желательно в ЭВМ иметь память большой емкости и высокого быстродействия. Но одноуровневое построение памяти не позволяет одновременно удовлетворить обоим этим противоречивым требованиям. Поэтому память современных ЭВМ строится по многоуровневому принципу. Кэш — память функционально предназначена для согласования скорости работы сравнительно медленных устройств (например, динамическая память) со сравнительно быстрым процессором. Использование кэш-памяти позволяет избежать циклов ожидания в работе процессора, которые снижают производительность всей системы. Кэш — память может быть размещена в кристалле процессора (кэш 1-го уровня L1) и равна 16-32 Кбайта с временем доступа 1-2 такта процессора. Или кэш — память может быть выполнена в виде отдельной микросхемы (внешняя кэш — память 2-го уровня (L2)). Кэш L2 равна 128-256 Кбайт со временем доступа 3-5-тактов процессора.
Может быть еще кэш 3-го уровня — L3 = 2-4 Мбайт со временем доступа 10-20 тактов процессора.
Системная шина (СШ)
Системная шина — это главная отличительная черта структуры персонального компьютера. СШ используется для обмена информацией и взаимодействия всех устройств персонального компьютера.
Архитектура любой ЭВМ с общей системной шиной обеспечивает:
— простоту и дешевизну ЭВМ;
— упрощает взаимодействие устройств ЭВМ;
— облегчает программирование.
Но вместе с тем системная шина является и узким местом в ЭВМ, т.к. в каждый момент времени посредством системной шины могут обмениваться только 2 устройства. Остальные вынуждены простаивать.
Состав и структура программного обеспечения современных ПК
Системное ПО (программы общего пользования), выполняющие различные вспомогательные функции, например создание копий используемой информации, выдачу справочной информации о компьютере, проверку работоспособности устройств компьютера и т.д.
Прикладное ПО, обеспечивающее выполнение необходимых работ на ПК: редактирование текстовых документов, создание рисунков или картинок, обработка информационных массивов и т.д.
Инструментальное ПО (системы программирования), обеспечивающее разработку новых программ для компьютера на языке программирования.
Структура программного обеспечения
Системное ПО
Это программы общего пользования не связаны с конкретным применением ПК и выполняют традиционные функции: планирование и управление задачами, управления вводом-выводом и т.д.
Другими словами, системные программы выполняют различные вспомогательные функции, например, создание копий используемой информации, выдачу справочной информации о компьютере, проверку работоспособности устройств компьютера и т.п.
К системному ПО относятся:
операционные системы (эта программа загружается в ОЗУ при включении компьютера)
программы — оболочки (обеспечивают более удобный и наглядный способ общения с компьютером, чем с помощью командной строки DOS, например, Norton Commander)
операционные оболочки — интерфейсные системы, которые используются для создания графических интерфейсов, мультипрограммирования и.т.
Драйверы (программы, предназначенные для управления портами периферийных устройств, обычно загружаются в оперативную память при запуске компьютера)
утилиты (вспомогательные или служебные программы, которые представляют пользователю ряд дополнительных услуг)
К утилитам относятся:
Диспетчеры файлов или файловые менеджеры
Средства динамического сжатия данных (позволяют увеличить количество информации на диске за счет ее динамического сжатия)
Средства просмотра и воспроизведения
Средства диагностики; средства контроля позволяют проверить конфигурацию компьютера и Проверить работоспособность устройств компьютера, прежде всего жестких дисков
Средства коммуникаций (коммуникационные программы) предназначены для организации Обмена информацией между компьютерами
Средства обеспечения компьютерной безопасности (резервное копирование, антивирусное ПО).
Необходимо отметить, что часть утилит входит в состав операционной системы, а другая часть функционирует автономно. Большая часть общего (системного) ПО входит в состав ОС. Часть общего ПО входит в состав самого компьютера (часть программ ОС и контролирующих тестов записана в ПЗУ или ППЗУ, установленных на системной плате). Часть общего ПО относится к автономными программам и поставляется отдельно.
Прикладное ПО
Прикладные программы могут использоваться автономно или в составе программных комплексов или пакетов. Прикладное ПО — программы, непосредственно обеспечивающие выполнение необходимых работ на ПК: редактирование текстовых документов, создание рисунков или картинок, создание электронных таблиц и т.д.
Пакеты прикладных программ — это система программ, которые по сфере применения делятся на проблемно — ориентированные, пакеты общего назначения и интегрированные пакеты. Современные интегрированные пакеты содержат до пяти функциональных компонентов: тестовый и табличный процессор, СУБД, графический редактор, телекоммуникационные средства.
К прикладному ПО, к примеру, относятся:
Комплект офисных приложений MS OFFICE
Финансовые аналитические системы
Интегрированные пакеты делопроизводства
CAD — системы (системы автоматизированного проектирования)
Редакторы HTML или Web — редакторы
Браузеры — средства просмотра Web — страниц
Инструментальное ПО
Инструментальное ПО или системы программирования — это системы для автоматизации разработки новых программ на языке программирования.
В самом общем случае для создания программы на выбранном языке программирования (языке системного программирования) нужно иметь следующие компоненты:
- 1. Текстовый редактор для создания файла с исходным текстом программы.
- 2. Компилятор или интерпретатор. Исходный текст с помощью программы-компилятора переводится в промежуточный объектный код. Исходный текст большой программы состоит из нескольких модулей (файлов с исходными текстами). Каждый модуль компилируется в отдельный файл с объектным кодом, которые затем надо объединить в одно целое.
- 3. Редактор связей или сборщик, который выполняет связывание объектных модулей и формирует на выходе работоспособное приложение — исполнимый код.
Исполнимый код — это законченная программа, которую можно запустить на любом компьютере, где установлена операционная система, для которой эта программа создавалась. Как правило, итоговый файл имеет расширение .ЕХЕ или .СОМ.
4. В последнее время получили распространение визуальный методы программирования (с помощью языков описания сценариев), ориентированные на создание Windows-приложений. Этот процесс автоматизирован в средах быстрого проектирования. При этом используются готовые визуальные компоненты, которые настраиваются с помощью специальных редакторов.
Наиболее популярные редакторы (системы программирования программ с использованием визуальных средств) визуального проектирования: программный обеспечение компьютер драйвер
Borland Delphi — предназначен для решения практически любых задачи прикладного программирования
Borland C++ Builder — это отличное средство для разработки DOS и Windows приложений
Microsoft Visual Basic — это популярный инструмент для создания Windows-программ
Microsoft Visual C++ — это средство позволяет разрабатывать любые приложения, выполняющиеся в среде ОС типа Microsoft Windows
