Что такое архитектура 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.
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.
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.
Школьные учебники онлайн Удобная онлайн библиотека для школьников.
Аппаратное и программное обеспечение. Компьютер с установленной операционной системой Windows.
Цель работы. Научиться получать сведения об архитектуре компьютера и отдельных его устройствах.
Задание. С помощью системы тестирования компьютера получить сведения об его архитектуре компьютера и процессора.
Варианты выполнения работы:
в операционной системе Windows с помощью программы тестирования компьютера SiSoftware Sandra получить сведения о разных параметрах архитектуры компьютера, используя различные тестирующие модули программы.
Получение сведений об архитектуре компьютера и процессора
В операционной системе Windows получим сведения об архитектуре компьютера и процессора. 1. В операционной системе Windows запустить программу тестирования компьютера SiSoftware Sandra командой [Программы-SiSoftware-SiSoftware Sandra].
В появившемся диалоговом окне программы на вкладке Устройства выберем устройства, о которых хотелось бы получить сведения.
2. Выбрать пункт Информация о системе. В появившемся диалоговом окне с помощью полос прокрутки выбрать интересующие сведения.
Для данного компьютера получим:
- • скорость системной шины — 134 МГц;
- • эффективная скорость системной шины — 536 МГц;
- • скорость шины памяти — 268 МГц.
3. Выбрать пункт Процессоры. В появившемся диалоговом окне с помощью полос прокрутки выбрать интересующие сведения.
П/р № 1.2 Сведения об архитектуре компьютера
Аппаратное и программное обеспечение. Компьютер с установленной операционной системой Windows.
Цель работы. Научиться получать сведения об архитектуре компьютера и отдельных его устройствах.
Задание. С помощью системы тестирования компьютера получить сведения об его архитектуре компьютера и процессора.
Варианты выполнения работы:
в операционной системе Windows с помощью программы тестирования компьютера SiSoftware Sandra Lite (Скачать) получить сведения о разных параметрах архитектуры компьютера, используя различные тестирующие модули программы.
Получение сведений об архитектуре компьютера и процессора
В операционной системе Windows получим сведения об архитектуре компьютера и процессора.
1. В операционной системе Windows запустить программу тестирования компьютера SiSoftware Sandra Lite командой:
[ Пуск — Программы — SiSoftware — SiSoftware Sandra Lite ]. (Или найти ярлык на рабочем столе)
В появившемся диалоговом окне программы на вкладке Устройства выберем устройства, о которых хотелось бы получить сведения.
2. Выбрать пункт Информация о системе. В появившемся диалоговом окне с помощью полос прокрутки выбрать интересующие сведения.
Для данного компьютера получим:
• Тактовая частота процессора — 2x 3.3 ГГц;
• Оперативная память — 2 Гб;
• Видеоадаптер — 512 Мб.
3. Выбрать пункт Процессоры. В появившемся диалоговом окне с помощью полос прокрутки выбрать интересующие сведения.
Для данного компьютера получим:
• Два ядра;
• Частота процессора — 3.3 ГГц;
• Скорость системной шины — 100 Мгц;
• Коэффициент умножения частоты процессора — 33x.
Архитектура персонального компьютера
| Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 18.12.2014 |
| Размер файла | 19,9 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Государственное бюджетное образовательное учреждение
Среднего профессионального образования
«Ростовский строительный колледж»
на тему: «Архитектура ПК»
Студентка группы А-21
1. Понятие персональный компьютер
2. Понятие архитектуры персонального компьютера
3. Внутренние устройства персонального компьютера
4. Внешние устройства персонального компьютера
Введение компьютер микропроцессор логический
Бурное развитие информационных технологий и их основной технической базы — компьютеров, приводит к большему насыщению ими практически всех сфер деятельности человека. В этих условиях для студента необходимо знание основ аппаратной части компьютера, его основных технических характеристик и функциональных возможностей. Такое знание дает возможность более осознанно осуществлять выбор, организовывать обслуживание, модернизацию персональных компьютеров, планировать развитие компьютера как для личного пользования так и для профессионального использования, что является наиболее актуальным.
Компьютер представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами.
Компьютер — это многофункциональное электронное устройство для накопления, обработки и передачи информации
Архитектура персонального компьютера — компоновка его основных частей, таких как процессор, ОЗУ, видеоподсистема, дисковая система, периферийные устройства и устройства ввода-вывода.
Архитектура ПК определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера:
1. Внутренние устройства компьютера
v Самым главным элементом в компьютере, его «мозгом» является микропроцессор. Микропроцессор — это электронная схема, выполняющая все функции обработки информации и управление всеми блоками ЭВМ. Конструктивно представляет собой один кристалл 4-6 см2.
В состав микропроцессора входят следующие блоки:
1. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) — это устройство, выполняющее логические и арифметические операции в двоичной системе исчисления.
2. Память микропроцессора — это память регистров, в которых хранятся данные и их адреса
3. Кэш память — быстрая память повышает производительность работы микропроцессора за счет буферизации часто используемых команд
4. Управляющее устройство (УУ) — это устройство обеспечивает режим многозадачности, который способствует организации работы ЭВМ, при которой в её памяти одновременно содержатся программы и данные для решения нескольких задач. Многозадачность осуществляется за счет системы прерываний и защиты памяти
5. Магистраль микропроцессора — она предназначена для обмена информации между блоками микропроцессора.
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.
v Также в компьютере важную роль играет запоминающее устройство
Запоминающее устройство — это блок ЭВМ, предназначенный для временного (оперативная память) и продолжительного (постоянная память) хранения программ, входных и результирующих данных, а также промежуточных результатов.
1. ОЗУ (оперативная память) — это быстро действующее запоминающее устройство, сравнительно небольшого объема, в котором хранится выполняемая в текущий момент программа и ее данные.
2. Кэш память — это сверхбыстрая память, предназначенная для хранения промежуточных результатов.
3. ПЗУ (постоянная память) — это память предназначена для хранения системных и вспомогательных программ (Bios), она энергонезависима, но скорость обмена данными в подавляющем большинстве случаев, значительно меньше.
v Шина — системная плата, обеспечивающая ввод-вывод информации. Характеристикой шины является скорость обмена. Основные типы шин (расположены в порядке улучшения характеристик): ISA, EISA, VESA, PCI, AGP. Разъёмы-«слоты» стандарта PCI родился он около 10 лет назад и сегодня является основным стандартом слотов для подключения дополнительных устройств.
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)
v Жесткий диск (винчестер, HDD) — предназначен для постоянного хранения информации, используемой при работе компьютера: операционной системы, документов, игр и т.д. Основными характеристиками жесткого диска являются его емкость, измеряемая в гигабайтах (Гб), скорость чтения данных, среднее время доступа, размер кэш-памяти. Информация хранится на одной или нескольких круглых пластинках с магнитным слоем, над которыми летают магнитные записывающие головки. Винчестеры подключаются к материнской плате с помощью специальных шлейфов-кабелей, каждый из которых рассчитан на два устройства.
v Устройство для чтения компакт-дисков (CD-ROM) предназначено для чтения записей на компакт-дисках. Достоинства устройства — большая емкость дисков, быстрый доступ, надежность, универсальность, низкая стоимость. Основное понятие, характеризующее работу данного устройства — скорость. Самые первые CD-ROM — 1-скоростные. Сейчас появились 52-скоростные CD-ROM. Что значит 52 скоростной привод? Это значит, что он читает данные в 52 раза быстрее самого первого 1 скоростного (150 Кб/с) CD-ROM. Следовательно, 52 умножаем на 150… 7800 килобайт в секунду! Главный недостаток стандартных дисководов CD-ROM — не возможность записи информации.
Для этого необходимы другие устройства:
CD-R — дисковод с возможностью однократной записи информации на специальный диск, в России их называют «болванками». Запись на эти диски осуществляется благодаря наличию на них особого светочувствительного слоя, выгорающего под воздействием высокотемпературного лазерного луча.
CD-RW — дисковод с возможностью многократной записи информации. Это устройство работает совершенно по другому принципу и совсем другими дисками, чем CD-R.
В последнее время всё большее распространение получает DVD-ROM — устройство, предназначенное для чтения дисков формата DVD.
v BIOS (Basic Input — Output System) — базовая система ввода-вывода — микросхема, установленная на материнской плате. Именно здесь хранятся основные настройки компьютера. С помощью BIOS можно изменить скорость работы процессора, параметры работы для других внутренних и некоторых внешних устройств компьютера. BIOS — это первый и самый важный из мостиков, связующий между собой аппаратную и программную часть компьютера. Поэтому для современных BIOS немало важными особенностями является возможность её обновления, работы со стандартом Plag&Play возможность загрузки компьютера с CD-ROM, сети и дисководов ZIP.
v Источник питания. Это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.
v Таймер. Это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания — аккумулятору и при отключение машины от сети продолжает работать.
2. Внешние устройства компьютера
v Клавиатура — устройство, предназначенное для ввода в компьютер информации от пользователя. Современная клавиатура состоит из 104 укреплённых в едином корпусе клавиш.
v Мышь — манипулятор для ввода информации в компьютер. Он необходим для работы с графическими пакетами, чертежами, при разработке схем и при работе в новых операционных системах.
v Джойстик — манипулятор в виде укрепленной на шарнире ручки с кнопками, употребляется в компьютерных играх.
v Монитор (дисплей) — устройство, предназначенное для вывода на экран текстовой и графической информации.
v Принтер — устройство, предназначенное для вывода текстовой и графической информации на бумагу. Различают матричные, струйные и лазерные принтеры (расположены в порядке улучшения качества и скорости печати). Принтеры бывают цветные (струйные и лазерные) и черно-белые (матричные и лазерные).
v Сканер — устройство для ввода в компьютер текстовой и графической информации. Сканеры бывают ручные, настольные планшетные и даже напольные.
v Плоттер — устройство, позволяющее выводить графическую информацию на бумагу или другие носители. Типовые задачи для плоттеров — выполнение различных чертежей, схем, рисунков, графиков, карт и т.п.
v Модем (модулятор-демодулятор)- устройство, позволяющее компьютеру выходить на связь с другим компьютером посредством телефонных линий. По своему внешнему виду и месту установки модемы подразделяются на внутренние (internal) и внешние (external). Внутренние модемы представляют собой электронную плату, устанавливаемую непосредственно в компьютер, а внешние — автономное устройство, подсоединяемое к одному из портов. Внешний модем стоит дороже внутреннего того же типа из-за внешней привлекательности и более легкой установки. Основной параметр в работе модема — скорость передачи данных.
Развитие электронной промышленности и компьютеростроения осуществляется такими быстрыми темпами, что буквально через 1-2 года, сегодняшнее » чудо техники» становится морально устаревшим. Однако принципы устройства компьютера остаются неизменными еще с того момента как знаменитый математик Джон фон Нейман в 1945 году подготовил доклад об устройстве и функционировании универсальных вычислительных устройств, т.е. компьютеров.
