Архитектура персонального компьютера принцип общей шины

В основу строения подавляющего большинства компьютеров положены общие принципы, которые были сформулированы в 1945 году. Д. фон Нейман, Г. Голдстайн и А. Беркс в своей общей статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. В следствие на основе этих принципов производились первые два поколения компьютеров. В более поздних поколениях происходили некоторые изменения, хотя принципы Неймана актуальные и сегодня.

В сущности, Нейману прибегло обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на них основе принципиально новое:

Рисунок 3.1 – Джон фон Нейман, 1945 г.

Использование двоичной системы исчисления в вычислительных машинах. Преимущество перед десятичной системой исчисления заключается в том, что устройства можно делать довольно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе исчисления также выполняются довольно просто.

Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, которая составляется из набора команд. Команды выполняются последовательно одна за одной. Созданием машины с программой, которая хранится в памяти, дало начало тому, что мы сегодня называем программированием.

Выборка программы по памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает адрес очередной команды, которая хранится в нем, на длину команды. А поскольку команды программы расположены в памяти одна за одной, то тем самым организовывается выборка цепочки команд из последовательно расположенных элементов памяти.

Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер элемента памяти, содержащего следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды “стоп”. Таким образом, процессор выполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе исчисления, то есть их образ записи одинаковый. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, которые и над данными.

Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, которая позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организовывается выполнения циклов и подпрограмм). Больше того, команды одной программы могут быть получены как результаты выполнения другой программы.

На этом принципе основанные методы трансляции ‒ перевода текста программы по языки программирования высокого уровня на язык конкретной машины

Принцип адресности: элементы памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любому элементу памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.

Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку коды.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Но существуют компьютеры, которые принципиально отличаются от последних. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, то есть они могут работать без “счетчика команд”, который указывает текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-нибудь переменной, что хранится в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.

Главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, в калькуляторе). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно ж, остается неизменной, и очень простой.

Для сравнения, программа компьютера ENIAC (где не было программы, которая хранилась в памяти) определялась специальными перемычками на панели. Чтобы перепрограммировать машину (установить перемычки по-другому) нужно было потратить далеко не один день. И хотя программы для современных компьютеров могут писаться года, однако они работают на миллионах компьютеров после несколько минутной установки на жесткий диск.

Видео:Архитектура ПК: Магистрально-модульный принцип построения ПК. Центр онлайн-обучения «Фоксфорд»Скачать

3.2 Принцип работы машины фон Неймана

Машина фон Неймана — устройство, которое состоит из запоминающего устройства (памяти) ‒ ЗУ, арифметико-логического устройства ‒ АЛУ, устройства управления – УУ, а также устройств ввода и вывода (рис. 3.2).

Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние элементы памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных каморках. В любой программе последняя команда должна быть командой завершения работы.

Рисунок 3.2 – Схема машины фон Неймана

Команда состоит из указания, какую операцию нужно выполнить (из возможных операций на данном «железе») и адресов элементов памяти, где хранятся данные, над которыми нужно выполнить указанную операцию, а также адреса ячеек, куда нужно записать результат (если его нужно сохранить в ЗУ).

Арифметико-логическое устройство выполняет указанные командами операции над указанными данными.

Из арифметико-логического устройства результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное отличие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройстве вывода (принтер, монитор и др.) поступают так, как удобно человеку.

Читайте также: Какие шины для hyundai solaris

УУ руководит всеми частями компьютера. От устройства, которое управляет, на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии.

Устройство, которое управляет, содержит специальный регистр, который называется «Счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. УУ прочитывает из памяти содержимое элемента памяти, адрес которой находится в счетчике команд, 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.

В результате выполнения любой команды счетчик команд изменяется на единицу и, таким образом, указывает на следующую команду программы. Когда нужно выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отдаленную от данной на какое-то количество адресов, то специальная команда перехода содержит адрес ячейки, куда нужно передать управление.

Видео:03. Основы устройства компьютера. Память и шина. [Универсальный программист]Скачать

3.3 Архитектура и структура ПК

При рассмотрении компьютерных устройств приняты различать их архитектуру и структуру.

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, который включает описание предназначенных для пользователя возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и так далее. 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 разные устройства – от основных логических узлов компьютера до простых схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Наиболее распространенными есть такие архитектурные решения (рис. 3.3):

Рисунок 3.3 – Существующие типы архитектур компьютеров

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 – программа. Это однопроцессорный компьютер.

К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, которая называется системной магистралью.

Физически магистраль есть многопроводной линией с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.

Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры – устройства управления периферийными устройствами.

Контролер – устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

Многопроцессорная архитектура . Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины, которая имеет общую оперативную память и несколько процессоров, представленная на рис.1.3.

Многомашинная вычислительная система -несколько процессоров, которые входят в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется довольно широко. Однако эффект от употребления такой вычислительной системы может быть получен лишь при решении задач, которые имеют очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе. Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.

Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это значит, что множество данных может обрабатываться одной программой – то есть по одним потоком команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить лишь на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на разных однотипных наборах данных.

Видео:Архитектура персонального компьютераСкачать

3.4 Строение компьютера

Рассмотрим устройство компьютера на примере наиболее распространенной компьютерной системы – персонального компьютера. Персональным компьютером (ПК) называют сравнительно недорогой универсальный микрокомпьютер, рассчитанный на одного пользователя. Персональные компьютеры по обыкновению проецируются на основе принципа открытой архитектуры.

Принцип открытой архитектуры состоит в следующем:

• регламентируются и стандартизируются лишь описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер можно собрать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-производителями;
• компьютер легко расширяется и модернизируется за счет наличия внутренних расширяющих гнезд, в которые пользователь может вставлять всяческие устройства, которые удовлетворяют заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины согласно своим личным преимуществам.

Упрощенная блок-схема, которая отображает основные функциональные компоненты компьютерной системы в их взаимосвязи, представлена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 – Общая структура персонального компьютера

Для того, чтобы соединить друг с другом разные устройства компьютера, они должны иметь одинаковый интерфейс (англ. interface от inter – между, и face – лицо).

Интерфейс – это средство согласования двух приборов, в которых все физические и логические параметры соглашаются между собой.

Читайте также: Что в шинах означает 98н

Если интерфейс есть общепринятым, например, утвержденным на уровне международных соглашений, то он называется стандартным. Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связанный с шиной определенного типа – адресной, управляющей или шиной данных. Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не непосредственно, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты приблизительно по такой схеме (рис. 3.5):

Рисунок 3.5 – Схема подключения прибора к шины

Контролерами и адаптерами являются наборы электронных цепей, которыми обеспечиваются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контролеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

Портами устройств есть какие-то электронные схемы, которые содержат один или несколько регистров ввода-вывода, и что позволяют подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора.

Портами также называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты (или интерфейсы). Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами – побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно.

К последовательному порту обычно подсоединяют те устройства, которые медленно действуют или довольно отдаленные устройства, такие, как мышь и модем. К параллельному порту подсоединяют «более быстрые» устройства – принтер и сканер. Через игровой порт подсоединяют джойстик. Клавиатура и монитор подключаются к своим специализированным портам, которые являются просто разъемами.

Основные электронные компоненты, которые определяют архитектуру процессора, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской (Motherboard). А контролеры и адаптеры дополнительных устройств, или сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения (Dаughterboard – дочерняя плата) и подключаются к шины с помощью разъемов расширения, называемых также слотами расширения (англ. slot – щель, паз).

Видео:4 минуты и ты знаешь как устроен компьютерСкачать

Архитектура персонального компьютера

Урок 2. Информатика и ИКТ 11 класс (к учебнику Н. Д. Угриновича)

Видео:Принципы фон НейманаСкачать

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

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.

Читайте также: Шины для гранд чероки размеры

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:

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.

• Свежие записи
  • Нужно ли менять пружины при замене амортизаторов
  • Скрипят амортизаторы на машине что делать
  • Из чего состоит стойка амортизатора передняя
  • Чем стянуть пружину амортизатора без стяжек
  • Для чего нужны амортизаторы в автомобиле

  
  

  источники:

  https://fasad-adelante.ru/arhitektura-personalnogo-kompyutera-printsip-obschey-shiny

  📽️ Видео

  Базовая архитектура и структура ЭВМСкачать

  

  Как работает компьютер? Шины адреса, управления и данных. Дешифрация. Взгляд изнутри!Скачать

  

  Основы архитектуры персональных компьютеровСкачать

  

  Как работает компьютерная память: что такое RAM, ROM, SSD, HDD и в чем разница?Скачать

  

  Внутри Компьютера | Устройство Компьютера для чайников | Детали компьютераСкачать

  

  Системные шины персонального компьютера для ...Скачать

  

  Архитектура компьютераСкачать

  

  Лекция 1 | Архитектура ЭВМ и основы ОС | Кирилл Кринкин | CSC | ЛекториумСкачать

  

  Видео #2. Основные сведения о компьютере (Архитектура ПК)Скачать

  

  Информатика 10 класс (Урок№6 - Основополагающие принципы устройства компьютеров.)Скачать

  

  Архитектура компьютеров.Скачать

  

  Как устроен компьютер. Лекция 3. Магистрально-модульная организация компьютераСкачать

  

  Шина компьютера, оперативная память, процессор и мостыСкачать