Общая структура и состав
персонального компьютера.
Структура Компьютера – это совокупность его функциональных элементов и связей
между ними.
В структуре компьютера выделяют три основные части: центральная часть
(микропроцессор и основная память), системная шина и периферийные устройства
(устройства конструктивно отделенные от центральной части). В ПК используется
открытая архитектура с общей системной шиной. Открытая архитектура позволяет
подключать совместимые между собой устройства от различных производителей.
Архитектура с общей шиной обеспечивает простоту и дешевизну, а также использование
общих алгоритмов взаимодействия между устройствами.
Центральная часть и системная шина
Центральная часть включает микропроцессор (МП) и основную память (ОП).
Микропроцессор, или CPU (от анг. Central Processing Unit), — это центральное
устройство ПК, предназначенное для управления работой всех устройств и для
выполнения арифметико-логических операций над информацией.
Конструктивно процессор выполнен в виде полупроводникового кристалла или комплекта
кристаллов, на которых реализован центральный процессор. В общем случае процессор
содержит:
Арифметико-логическое устройство (АЛУ);
Устройство управления (УУ);
Регистры общего назначения (РОН);
Кэш-память.
АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными, взаимодействуя с
остальными элементами процессора. Данные, над которыми выполняются операции,
поступают из регистров в сумматор, затем результат также отправляется в регистры (рис.
2.7).
Регистры — это ячейки памяти, обладающие большим быстродействием. В принципе
достаточно двух регистров: первый принимает число и хранит результат операции, а
второй только принимает число, которое после выполнения операции не меняется.
Сумматор (аккумулятор) используется для временного накапливания и хранения данных,
полученных в результате выполнения операций арифметико-логическим устройством.
Устройство управления управляет вычислительным процессом по программе и
координирует работу всех устройств. УУ формирует управляющие сигналы, которые извлекают команды из памяти в порядке, определяемом программой, и затем их выполняют.
Регистры общего назначения служат для промежуточного хранения информации в
процессе ее обработки. На физическом уровне регистр представляет совокупность
триггеров1, которые связаны между собой общей системой управления, при этом каждый
триггер способен хранить один двоичный разряд.
Кэш-память служит для повышения быстродействия процессора за счет запоминания на
некоторое время полученных ранее данных, которые будут использоваться процессором в
ближайшее время. Она увеличивает производительность, поскольку хранит наиболее
часто используемые данные и команды. Конструктивно кэш-память может располагаться
внутри процессора — кэш-память первого уровня, и вне процессора — кэш-память
второго уровня.
Микропроцессор характеризуется следующими параметрами:
— тактовой частотой;
— разрядностью;
— архитектурой.
Тактовая частота — это частота, при которой способен работать МП. Она определяется
максимальным временем, необходимым для выполнения элементарного действия.
Работа МП синхронизируется импульсами тактовой частоты от задающего генератора.
Чем выше тактовая частота, тем выше быстродействие процессора. Измеряется тактовая
частота в МГц, а в настоящее время уже и в ГГц.
Разрядностью называют максимальное количество разрядов двоичного кода, которые
могут обрабатываться и передаваться одновременно.
Понятие «разрядность» включает:
— разрядность внутренних регистров (т);
— разрядность шины данных (п);
— разрядность шины адресов (&).
Поэтому разрядность МП можно обозначить как m / n / k . Определяющую роль играет
разрядность внутренних регистров (внутренняя длина машинного слова). От разрядности
шины данных зависит скорость передачи данных между МП и другими устройствами.
Так, например, МП с разрядностью 16/16/20 имеет скорость передачи данных в 2 раза
больше, чем МП с разрядностью 16/8/20. Разрядность шины адреса определяет адресное
пространство, к которому можно осуществить доступ. Очевидно, что доступное адресное
пространство составляет 2*. Например, при k = 20 доступное адресное пространство
составляет 220 , или 1 Мбайт.
Под архитектурой МП понимается конструкция процессора и система команд (набор
инструкций).
По конструктивному признаку все процессоры делятся на разрядно-модульные
(собираются из нескольких микросхем) и однокристальные (изготавливаются в виде
одной микросхемы). Однокристальные процессоры получили в настоящее время
наибольшее распространение.
В зависимости от используемой системы команд различают процессоры типа:
— CISC (Complex Instruction Set Command) с полным набором системы команд;
— RISC (Reduced Instruction Set Command) с усеченным набором системы команд.
Система команд — это набор команд, который способен выполнить МП.
МП первого типа являются традиционными, а их система включает большое количество
команд для выполнения арифметических и логических операций, команд управления,
команд пересылки и ввода-вывода данных. МП этого типа используются в большинстве
современных ПК типа IBM и выпускаются таким фирмами, как Intel, AMD, Cyrix, IBM и т.
д.
МП с R/SC-архитектурой имеют упрощенную и сокращенную систему команд, при этом
каждая команда выполняется всего за один такт. Набор исполняемых команд состоит из
простых, часто встречающихся в программах команд. Для выполнения более сложных
команд они автоматически собираются из нескольких простых команд. МП типа RISC
характеризуются высоким быстродействием, но они программно не совместимы с C/SCпроцессорами. Вы пускают их многие фирмы, такие как Apple {PowerPC), IBM ( Р Р С ) ,
DEC (Alpha), HP ( P A ) и т. д.
МП должен оперативно реагировать на различные события, происходящие в компьютере
в результате каких-либо действий пользователя и без его вмешательства, т. е. автоматически. Например, нажатие пользователем клавиши на клавиатуре, попытка деления на
нуль, нарушения в работе оборудования, обращения программ к ядру операционной
системы и т. д. Необходимую реакцию на события обеспечивает система прерываний.
Обработка прерываний сводится к приостановке выполнения текущей программы и
выполнению служебной программы, которая соответствует определенному типу прерывания. После реализации обработчиком прерываний служебной программы выполнение
отложенной программы может быть продолжено. Различают программные и аппаратные
прерывания.
Прерыванием
называется
ситуация,
действий
(реакции)
процессора
при
ленного события.
Под
системой
прерываний
понимают
программных
средств,
обеспечивающих
прерываний.
требующая
возникновении
комплекс
выявление
каких-либо
опреде-
аппаратных
и
и
обработку
Аппаратные прерывания — это события от периферийных устройств (нажатия клавиш
клавиатуры, движения мыши, сетевой карты или дискового накопителя) или события,
происходящие в микропроцессоре (деление на нуль). Первые принято называть
внешними прерываниями, а вторые внутренними.
Программные прерывания инициируются самой программой. Это происходит тогда,
когда необходимо воспользоваться услугами другой программы, а именно — подпрограммы. Подпрограмма на время выполнения своих функций получает управление
процессом, но после их выполнения возвращает управление обратно исходной программе.
Программные прерывания могут служить для вызова сервисов операционной системы.
Некоторые процессоры поддерживают иерархию прерываний, позволяющую
прерываниям высокого уровня вызываться при обработке прерываний более низкого
уровня.
Основная память — это запоминающее устройство, напрямую | связанное с процессором
и предназначенное для хранения вы- • полняемых программ и данных, непосредственно
участвующих
в операциях.
Основная память (ОП) включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и
постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).
ОЗУ служит для приема, выдачи и кратковременного хранения переменной (текущей)
информации в ходе выполнения процессором вычислительных операций. ОЗУ составляет
большую часть основной памяти и является энерго- зависимым, поэтому при выключении
питания информация, хранившаяся в ОЗУ, безвозвратно теряется.
В англоязычной литературе ОЗУ обозначают термином RAM (Random Access Memory —
память с произвольным доступом).
В качестве элементов памяти в ОЗУ используются либо триггеры, либо конденсаторы. В
зависимости от способа хранения информации ОЗУ делятся на статические и динамические. В статическом ОЗУ каждый бит информации (1 или 0) хранится на элементе
типа электронной защелки (триггер), состояние которого остается неизменным до тех пор,
пока не будет сделана новая запись в этот элемент или не будет выключено питание.
Динамическое ОЗУ каждый бит информации хранит в виде заряда конденсатора. Из-за
токов утечки заряд конденсатора необходимо с определенной периодичностью обновлять
(регенерировать). Во время регенерации запись новой информации должна быть
запрещена. Динамические ОЗУ по сравнению со статическими имеют более высокую
удельную емкость, большее быстродействие и энергопотребление.
ПЗУ используется для хранения информации, которая не меняется при работе
компьютера: загрузочная программа операционной системы, программа тестирования
устройств компьютера и некоторые драйверы базовой системы ввода- вывода (BIOS —
Basic Input Output System). Информация, хранящаяся в ПЗУ, предназначена, как правило,
только для считывания. Запись информации в ПЗУ обычно выполняется в лабораторных
условиях. Однако в программируемые и перепрограммируемые ПЗУ можно записывать
информацию непосредственно в ПК с помощью программатора. Программатор — это
специальное электронное устройство, которое подключается к компьютеру и позволяет с
помощью команд записывать информацию в ПЗУ.
Связующим элементом между различными устройствами компьютера является системная
шина (СТТТ).
Системная шина предназначена для передачи данных между периферийными
устройствами (ПУ) и центральным процессором или
между периферийными устройствами и оперативной памятью.
Сама системная шина представляет собой совокупность одно- и двунаправленных линий,
логически объединяемых в следующие группы:
шину данных, служащую для передачи информации в оба направления (от
МП к ОЗУ или ПУ и обратно, либо между ОЗУ и ПУ);
шину адреса, с использованием которой адресуются ОП и порты вводавывода (см. в п. 7);
шину управления, предназначенную для передачи управляющих сигналов,
таких как «запись в память», «чтение из памяти», сигналы прерываний.
Следовательно, системная шина обеспечивает три типа передачи данных и управляющих
сигналов между:
1. микропроцессор – основная память (МП-ОП);
2. микропроцессор – порты ввода-вывода (МП-ПВВ);
3. основная память - порты ввода-вывода (МП-ПВВ).
Вопросы и задания:
1. Что понимается под структурой компьютера?
2. Что включает в себя типовая структура компьютера?
3. Зарисуйте в тетрадь структурную схему ПК.
4. Что такое открытая архитектура и архитектура с общей шиной?
5. Что такое микропроцессор и какого его назначение?
6. Какие устройства входят в состав микропроцессора и какие функции они
выполняют?
7. Какими основными параметрами характеризуется микропроцессор?
8. Дайте определения понятиям: «Тактовая частота», «Разрядность», «Архитектура
МП».
9. Что такое система команд? Какие системы команд используются?
10. Что такое система прерываний, ее основная функция?
11. Что включает в себя основная память? Каково ее назначение?
12. Для чего служит ОЗУ?
13. Какие виды оперативной памяти в зависимости от способа хранения различают?
Каковы их способности?
14. Каковы основные функции ПЗУ?
15. Что обеспечивает передачу данных между основными устройствами компьютера?
16. Какие шины входят в состав системной шины?
