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).

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.

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).

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

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 (в 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...