Архитектура компьютера

 

 

Компьютер - многофункциональное электронное программное-управляемое устройство для хранения, обработки и передачи информации.

 

 

Архитектура компьютера - общее описание его структуры и функций.

Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера.

Классическая архитектура компьютера постоена на принципах Джона фон Неймана:

  • принцип программного управления (программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности);

  • принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти);

  • принцип адресности (основная память состоит из перенумерованных ячеек и процессору в любой момент времени доступна любая ячейка).

Джон фон Нейман (нем. John von Neumann, или Нейман Янош Лайос (венг. Neumann Janos Lajos), (28 декабря 1903 — 8 февраля 1957) — математик, сделавший важный вклад в квантовую физику, функциональный анализ, теорию множеств, информатику, экономику и другие отрасли науки.

Наиболее известен как праотец современной архитектуры компьютеров (архитектура фон Неймана), применением теории операторов к квантовой механике (см. Алгебра фон Неймана), а также как участник Манхэттенского проекта и как создатель теории игр и концепции клеточных автоматов.

 

Архитектура фон Неймана предусматривает  одно арифметико-логическое устройство, через которое проходит поток данных  и  одно устройство управления, через которое проходит поток команд: SISD (Single Instruction Single Data) — «один поток команд, один поток данных».

Существуют и другие способы  организации последовательности выполнения команд и обмена данными между процессором и памятью (таксономия Майкла Флинна):

  • SIMD (Single Instruction Multiple Data) — «один поток команд, много потоков данных»;

  • MISD (Multiple Instruction Single Data) — «много потоков команд, один поток данных»;

  • MIMD (Multiple Instruction Multiple Data) — «много потоков команд, много потоков данных»;

Все суперкомпьютеры из первой десятки TOP500 построены по схеме MIMD.

Сегодня происходит повсеместный переход  к многопроцессорной архитектуре компьютера, что позволяет параллельно обрабатывать несколько потоков данных и несколько потоков команд.

"Многоядерные машины — наше неизбежное будущее, а потому главная задача заключается в необходимости научиться программировать для них" (Херб Саттер, Herb Sutter - один из ведущих экспертов по современным языкам программирования.

 

 

 

Открытая магистрально-модульная архитектура ПК

 

ПК имеет открытую магистрально-модульную архитектуру:

  • персональный компьютер состоит из отдельных функциональных блоков (модулей);

  • информационная связь между модулями осуществляется посредством информационной магистрали (системной шины);

  • отдельные модули компьютера соответствуют открытым стандартам и могут быть заменены или дополнены другими, их состав можно изменить или расширить.

 

Основные компоненты архитектуры:

  • центральный процессор

  • информационная магистраль

  • внутренняя память (постоянная и оперативная)

  • внешняя память

  • переферийные устройства (устройства ввода-вывода).

 

 

Устройство персонального компьютера

 

Персональный компьютер как промышленное состоит из нескольких блоков, связанных соединительными кабелями.

 

Минимальный стандартный комплект блоков:

Дополнительные блоки

  • системный блок

  • клавиатура

  • монитор

  • мышь.

  • принтер (плоттер)

  • сканер

  • цифровая фото- видео- камера

  • трекбол, джойстик, тачпад

  • микрофон и акустические системы

  • бесперебойный блок питания

  • графический планшет и т.д.

 

Системный блок ПК содержит все основные устройства компьютера:

  • материнскую плату

  • адаптеры

  • блок питания

  • дисководы (для гибких магнитных дисков, компакт-дисков)

  • винчестер

  • разъемы для подключения переферийных устройств.

Микропроцессор - вычислительное устройство на сверхбольшой интегральной схеме кристалле сверхчистого кремния созданы миллионы транзисторов и др. элементы, образующие логические блоки процессора (арифметико-логическое устройство, устройство управления, регистры памяти).

Чипсет (основа материнской платы) - микросхема, которая позволяет процессору обмениваться информацией с памятью (северный мост) и периферией (южный мост).

Материнская (системная) плата - большая печатная плата несущая на себе главные компоненты компьютерной системы (центральный микропроцессор, оперативную память, микросхема BIOS, центральную шину).

Оперативная память - печатная плата с микросхемами реализующими запись - хранение- чтение информации.

Статическая память образована триггерами (при считывании записанного в ячейку памяти ее значение не меняется).

Динамическая память образована конденсаторами (медленнее, менее энергоемка).

BIOS (Basic Input-Output System, базовая система ввода-вывода). - энергонезависимое постоянное запоминающее устройство, в которое записаны программы, реализующие функции ввода-вывода, тестирования компьютера в момент включения и др.

Системная шина - кабель, состоящий из электропроводов для передачи информации между устройствами компьютера.

  • По шине данных передается обрабатываемая информация.

  • По шине пдресов - передаются адреса памяти и внешних устройств, к которым обращается процессор.

  • По шине управления предаются управляющие сигналы.

Количество одновременно передаваемых бит - разрядность шины.

К слотам (гнездам-разъемам) на материнской плате подключаются другие платы (контроллеры и платы расширения).

Контроллеры (адаптеры) преобразуют форму представления данных и управляющих сигналов, которыми обмениваются различные устройства ПК. Оформлены в виде микросхем на печатных платах подключаемых к материнской плате и устройствам:

  • контроллер дисков - формирует импульсы при записи-чтении данных на диск и управляет работой подвижных частей дисководов;

  • контроллер ввода-вывода (адаптер портов) - обслуживает принтеры, манипуляторы, сканеры и т.д., которые подсоединяются нему через специальные схемные устройства - порты (параллельные и последовательные);

  • видеоадаптер (видеокарта, видеоплата) - преобразует набор данных, подлежащих отображению на экране в видеосигнал;

  • аудиокарта (звуковая плата) - преобразует аналоговые сигналы звуковой частоты в цифровые коды и обратно.

  • сетевая карта (сетевая плата, сетевой адаптер - осуществляет передачу данных из ПК в компьютерную сеть и обратно, преобразуя их в соответствии со стандартами сети.

Платы расширения - дополнительные электронные устройства...