Архитектура персонального компьютера Поколения ЭВМ 1-е поколение (начало 1950-х гг.) Элементная база – электронные лампы. ЭВМ отличались большими габаритами, большим потреблением энергии, малым быстродействием, низкой надежностью. Программирование выполнялось в кодах. 2-е поколение (с конца 1950-х гг.) Элементная база – полупроводниковые элементы. Улучшились по сравнению с ЭВМ 1-го поколения все технические характеристики. Для программирования используются простейшие символьные команды. Поколения ЭВМ 3-е поколение (начало 1960-х) Элементная база – интегральные схемы, многослойный печатный монтаж. Резкое снижение габаритов ЭВМ, повышение их надежности, увеличение производительности, развитая конфигурация внешних устройств. Для программирования используются алгоритмические языки. 4-е поколение (с середины 1970-х) Элементная база – микропроцессоры, большие интегральные схемы. Улучшились технические характеристики. Массовый выпуск персональных компьютеров. Направления развития: мощные многопроцессорные вычислительные системы с высокой производительностью, создание дешевых микроЭВМ. Поколения ЭВМ 5-е поколение (с середины 1980-х) Началась разработка интеллектуальных компьютеров, пока не увенчавшаяся успехом. Внедрение во все сферы компьютерных сетей и их объединение, использование распределенной обработки данных, повсеместное применение компьютерных информационных технологий. Фон-неймановская модель Предложена в 1946 г. ученым Джоном фон Нейманом. С 1950 г. начала использоваться как основная во всех компьютерных устройствах. Согласно фон Нейману, ЭВМ состоит из следующих основных блоков: Устройства ввода/вывода информации для помещения в память входных данных и команд и извлечения из памяти результатов. Память компьютера, содержащая команды и данные. Процессор, состоящий из устройства управления (УУ) и арифметико-логического устройства (АЛУ). Процессор выбирает из памяти команды и данные, выполняет над данными затребованную операцию и возвращает результат в память. Фон-неймановская модель Принципы Джона фон Неймана Принцип двоичного кодирования Вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов. Принцип программного управления Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Принципы Джона фон Неймана Принцип однородности памяти Программы и данные хранятся в общей памяти. ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Принцип адресности Память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен. Внутренняя структура персонального компьютера Центральный процессор (CPU, Central Processing Unit) Центральный процессор – функционально законченное программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное на одной или нескольких сверхбольших интегральных схемах. Процессор является центральным блоком ПК и предназначен для выполнения арифметических и логических операций над информацией и управления работой всех блоков машины. Центральный процессор (CPU, Central Processing Unit) В состав процессора входят: устройство управления (УУ); арифметико-логическое устройство (АЛУ); микропроцессорная память (кэш-память); интерфейсная система микропроцессора. Центральный процессор (CPU, Central Processing Unit) Основные характеристики процессоров Тактовая частота. Во многом определяет скорость работы процессора. Для современных процессоров может находиться в диапазоне 1,5 – 4 ГГц. 1 ГГц = 1000 МГц, 1 МГц = 1 000 000 тактов в секунду. Количество ядер процессора. Поскольку тактовые частоты современных процессоров приблизились к физическому пределу, для повышения их производительности применяется объединение нескольких процессорных ядер в одном корпусе. На сегодняшний день наиболее используемые процессоры с 2-4 ядрами, в более производительных системах – процессоры с 46 ядрами, в серверных системах и суперкомпьютерах – с 8-12 ядрами. Центральный процессор (CPU, Central Processing Unit) Объем кэш-памяти. Современные процессоры имеют двух- или трехуровневую организацию встроенной кэш-памяти. У кэшпамяти первого уровня (L1) наивысшая скорость и небольшой объем (обычно 16-128 Кбайт). Кэш-память второго уровня (L2) обладает несколько меньшим быстродействием, объем от 128 Кб до нескольких мегабайт. Кэш-память третьего уровня (L3) процессора AMD Phenom II имеет объем 6 Мб, а Intel Core i7 – 8 Мб. Справочная информация Компании производители процессоров: Intel и AMD. Процессоры Intel: 1980 – начало 90-х процессоры семейства x86: модели 8086, 286, 486. С 1993 г. процессоры Intel Pentium, Pentium II, III, IV. С 2006 г. компания выпускает процессоры, основанные на архитектуре Intel Core 2. В 2008 г. Intel выпустила процессоры Core i7 с совершенно новой архитектурой. С 2010 г. массовое производство процессоров Core i3, Core i5, Core i7. Упрощенная версия процессоров компании Intel выпускается под маркой Celeron. Процессоры AMD: Процессоры Athlon, Duron. Упрощенная версия – процессор Sempron. В 2008 г. разработан процессор Phenom. В 2009 г. вышли процессоры Phenom II/Athlon II. Системная плата Системная, или материнская, плата – базовое устройство компьютера, обеспечивающее взаимодействие всех подключенных к ней устройств. На системную плату устанавливается процессор, оперативная память, платы расширения. К ней подключаются дисковые накопители, устройства ввода/вывода, приводы CD/DVD и др. На системной плате также располагаются микросхема BIOS, батарейка для питания часов и CMOS (память с автономным питанием), тактовый генератор. Системная плата Системная плата Сопряжение и связь всех устройств компьютера осуществляется с помощью системной шины. Системная шина – это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина (магистраль) включает в себя: шину данных; шину адреса; шину инструкций; шину питания. Оперативная память (RAM, Random Access Memory) Оперативное запоминающее устройство (оперативная память, RAM, Random Access Memory) предназначено для хранения информации (программ и данных), участвующей в вычислительном процессе на текущем этапе функционирования ПК. Оперативная память энергозависимая: при отключении питания информация, хранящаяся в ней, теряется. Справочная информация Оперативная память выполняется в виде отдельных модулей, которые устанавливаются в соответствующие разъемы на системной плате. Существуют следующие типы модулей: SIMM. Модуль памяти с односторонним расположением выводов. Устаревший тип. DIMM. Модуль, имеющий двухстороннее расположение выводов. SODIMM. Компактный вариант модуля DIMM, который используется в ноутбуках. На сегодняшний день используются модули оперативной памяти DIMM и SODIMM стандартов DDR2 и DDR3. Каждый модуль состоит из нескольких чипов памяти. Каждый чип памяти – это особая матрица из миллионов миниатюрных конденсаторов, которые являются элементарными ячейками памяти и могут находиться в заряженном (1) и разряженном (0) состоянии. Кроме конденсаторов на чипе есть схемы управления чтением, записью и регенерацией данных (для восстановления заряда конденсаторов, поскольку со временем они самопроизвольно разряжаются). Внешние запоминающие устройства Внешние запоминающие устройства (внешняя память) используется для долговременного хранения программ и данных, записи и выдачи хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. Все эти устройства являются энергонезависимыми. К внешним запоминающим устройствам относятся: Жесткие диски. Устройства со сменными носителями. Дисководы гибких магнитных дисков. Устаревшее средство хранения информации. Приводы для оптических дисков (CD/DVD). Запоминающие устройства флэш-памяти (USB накопители flashпамяти, flash-карты). Жесткий диск (винчестер, Hard Disk Drive, HDD) Жесткий диск (винчестер, Hard Disk Drive, HDD) – носитель большого объема информации, на котором хранится все программное обеспечение компьютера. Справочная информация В этих накопителях круглые алюминиевые пластины покрытые слоем магнитного материала вместе с блоком магнитных головок для считывания/записи помещены в герметически закрытый корпус. У жестких магнитных дисков в качестве запоминающей среды используются магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два состояния – два направления намагниченности. Каждому из этих состояний ставятся в соответствие двоичные цифры: 0 и 1. В настоящее время используются диски объемом 200 Гб – 4 Тб и интерфейсами подключения к системной плате SATA и SCSI. Накопители на гибких магнитных дисках Floppy Disk Drive, FDD Накопители на оптических дисках Неперезаписываемые оптические диски (компакт диски, CD-ROM – Compact Disc Read Only Memory) Объем информации ~ 700 Мб. Перезаписываемые оптические диски с однократной (CD-R – Compact Disk Recordable) и многократной (CD-RW – Compact Disk ReWritable) Объем информации ~ 700 Мб. DVD-диски (Digital Versatile Disk – цифровой диск общего назначения) Объем информации до 17 Гб.