Классическая архитектура ПК. Основные особенности архитектуры современных ПК. Архитектура персонального компьютера. Назначение основных узлов. Функциональные характеристики компьютера Классификация архитектурных решений архитектура пк кратко

Несмотря на то что современные модели компьютеров представлены на рынке широким спектром брендов, собраны они в рамках небольшого количества архитектур. С чем это связано? Какова специфика архитектуры современных ПК? Какие программные и аппаратные компоненты ее формируют?

Определение архитектуры

Что такое архитектура ПК? Под этим довольно широким термином принято понимать совокупность логических принципов сборки компьютерной системы, а также отличительные особенности технологических решений, внедряемых в нее. Архитектура ПК может быть инструментом стандартизации. То есть компьютеры в рамках нее могут собираться согласно установленным схемам и технологическим подходам. Объединение тех или иных концепций в единую архитектуру облегчает продвижение модели ПК на рынке, позволяет создавать программы, разработанные разными брендами, но гарантированно подходящие для нее. Единая архитектура ПК также позволяет производителям компьютерной техники активно взаимодействовать на предмет совершенствования тех или иных технологических компонентов ПК.

Под рассматриваемым термином может пониматься совокупность подходов к сборке компьютеров или отдельных его компонентов, принятых на уровне конкретного бренда. В этом смысле архитектура, которая разработана производителем, является его интеллектуальной собственностью и используется только им, может выступать конкурентным инструментом на рынке. Но даже в таком случае решения от разных брендов иногда могут быть классифицированы в рамках общей концепции, объединяющей в себе ключевые критерии, которые характеризуют компьютеры различных моделей.

Термин «архитектура ПК» информатика как отрасль знаний может понимать по-разному. Первый вариант трактовки предполагает интерпретацию рассматриваемого понятия как стандартизирующего критерия. В соответствии с другой интерпретацией архитектура — это, скорее, категория, позволяющая одному бренду-производителю стать конкурентным в отношении других.

Интереснейший аспект — то, как соотносятся история и архитектура ПК. В частности, это появление классической логической схемы конструирования компьютеров. Рассмотрим ее особенности.

Классическая архитектура компьютера

Ключевые принципы, в соответствии с которыми предполагалось конструирование ПК по определенной логической схеме, предложил Джон фон Нейман, выдающийся математик. Его идеи были реализованы производителями ПК, относящихся к первым двум поколениям. Концепция, разработанная Джоном фон Нейманом, — это классическая архитектура ПК. Каковы ее особенности? Предполагается, что компьютер должен состоять из следующих основных компонентов:

Арифметического и логического блока;

Устройства для управления;

Блока внешней памяти;

Блока оперативной памяти;

Устройств, предназначенных для ввода и вывода информации.

В рамках данной схемы взаимодействие технологических компонентов должно реализовываться по конкретной последовательности. Так, сначала в память ПК попадают данные из компьютерной программы, которые могут вводиться с помощью внешнего устройства. Затем устройство для управления считывает информацию из памяти компьютера, после чего направляет ее на выполнение. В этом процессе при необходимости задействуются остальные компоненты ПК.

Архитектура современных компьютеров

Рассмотрим, каковы основные особенности архитектуры современных ПК. Она несколько отличается от концепции, которую мы изучили выше, но во многом продолжает ее. Ключевая особенность ПК новейших поколений — арифметический, логический блок, а также то, что устройства для управления объединены в единый технологический компонент — процессор. Во многом это стало возможным благодаря появлению микросхем и дальнейшему их совершенствованию, что позволило уместить в сравнительно небольшой детали компьютера широкий спектр функций.

Архитектура современного ПК также характеризуется тем, что в ней присутствуют контроллеры. Они появились как результат пересмотра концепции, в рамках которой процессор должен был выполнять функцию обмена данными с внешними устройствами. Благодаря возможностям появившихся интегральных схем соответствующий функциональный компонент производители ПК решили отделить от процессора. Так появились различные каналы обмена, а также периферийные микросхемы, которые затем начали называться контроллерами. Соответствующие аппаратные компоненты на современных ПК могут, например, управлять работой дисков.

Устройство и архитектура ПК современных образцов предполагают использование шины. Основное ее назначение — обеспечение коммуникаций между различными аппаратными элементами компьютера. Ее структура может предполагать наличие специализированных модулей, отвечающих за ту или иную функцию.

Архитектура IBM

Компанией IBM была разработана архитектура ПК, ставшая фактически одним из мировых стандартов. Ее отличительная особенность — в открытости. То есть компьютер в рамках нее перестает быть готовым продуктом от бренда. Компания IBM — не монополист рынка, хотя один из его первопроходцев в аспекте разработки соответствующей архитектуры.

Пользователь или компания, собирающие ПК на платформе IBM, могут самостоятельно определять то, какие компоненты будут включены в структуру компьютера. Также возможна замена того или иного электронного компонента на более совершенный. Стремительное развитие компьютерных технологий позволило реализовать принцип открытой архитектуры ПК.

Особенности ПО для компьютеров архитектуры IBM

Важный критерий отнесения ПК к платформе IBM — его совместимость с разными операционными системами. И в этом также прослеживается открытость рассматриваемого типа архитектуры. Компьютеры, относящиеся к IBM-платформе, могут управляться ОС Windows, Linux в большом количестве модификаций, а также иными операционными системами, которые совместимы с аппаратными компонентами ПК рассматриваемой архитектуры. Не считая ПО от крупных брендов, на IBM-платформу можно устанавливать различные авторские программные продукты, выпуск и инсталляция которых обычно не требуют согласования с фирмами-производителями аппаратных элементов.

В числе программных компонентов, которые есть практически в любом компьютере на платформе IBM, базовая система ввода и вывода, называемая также BIOS. Она призвана обеспечивать выполнение основных аппаратных функций ПК вне зависимости от того, какого типа операционная система на нем установлена. И это еще один, по сути, признак открытости архитектуры, о которой идет речь: производители BIOS толерантны к производителям ОС и любого другого ПО. Собственно, тот факт, что BIOS может выпускаться разными брендами — это также критерий открытости. Функционально системы BIOS от разных разработчиков близки.

Если на компьютере не установлена BIOS, то его работа практически невозможна. Не имеет значения, инсталлирована ли на ПК операционная система — необходимо обеспечение взаимодействия между аппаратными компонентами компьютера, и его возможно реализовать только с помощью BIOS. Переустановка BIOS на компьютере требует специальных программно-аппаратных инструментов, в отличие от инсталляции ОС или иного вида ПО, работающего в ней. Данная особенность BIOS предопределяется тем, что ее необходимо защищать от компьютерных вирусов.

С помощью BIOS пользователь может управлять аппаратными компонентами ПК, выставляя те или иные настройки. И это также один из аспектов открытости платформы. В некоторых случаях работа с соответствующими настройкам позволяет обеспечить заметное ускорение работы ПК, более стабильное функционирование отдельных его аппаратных компонентов.

Система BIOS во многих ПК дополнена оболочкой UEFI, как считают многие IT-специалисты, это достаточно полезное и функциональное программное решение. Но базовое назначение UEFI принципиально не отличается от того, что характерно для BIOS. Собственно, это такая же система, но интерфейс в ней несколько ближе к тому, что характерен для операционной системы ПК.

Важнейший вид ПО для компьютеров — драйвер. Он необходим для того, чтобы аппаратный компонент, инсталлируемый в компьютер, корректно функционировал. Драйверы обычно выпускаются производителями компьютерных устройств. При этом соответствующий вид ПО, совместимый с одной операционной системой, например Windows, обычно не подходит для других ОС. Поэтому пользователю часто приходится подбирать драйверы, совместимые с конкретными типами программного обеспечения компьютера. В этом смысле IBM-платформа недостаточно стандартизована. Может получиться так, что устройство, прекрасно работающее под ОС Windows, будет невозможно запустить под Linux из-за того, что пользователь не сможет найти нужный драйвер, или же по причине того, что производитель аппаратного компонента попросту не успел выпустить нужный вид программного обеспечения.

Важно, чтобы решение, которое предполагается включить в структуру компьютера, было совместимо не только с конкретной архитектурой, но также и иными технологическими элементами ПК. Какие компоненты можно менять в современных ПК? В числе ключевых: материнская плата, процессор, оперативная память, видеокарта, жесткие диски. Рассмотрим специфику каждого из компонентов подробнее, определим, от чего зависит их совместимость с иными аппаратными элементами, а также выясним, каким образом наиболее корректно можно реализовать принцип открытой архитектуры ПК на практике.

Материнская плата

Один из ключевых компонентов современного компьютера — материнская, или системная, плата. На ней располагаются контроллеры, шины, мосты и иные элементы, позволяющие объединять между собой различные аппаратные компоненты. Благодаря ей фактически реализуется современная архитектура ПК. Системная плата позволяет эффективно распределить функции компьютера по различным устройствам. Данный компонент размещает на себе большинство остальных, а именно процессор, видеокарту, оперативную память, жесткие диски и т. д. BIOS, важнейший программный компонент ПК, в большинстве случаев прописывается в одной из микросхем материнской платы. Важно, чтобы соответствующие элементы не были повреждены.

Заменяя материнскую плату или выбирая нужную модель в процессе сборки ПК, необходимо удостовериться, что новая ее модель будет совместима с иными аппаратными компонентами. Так, есть платы, поддерживающие процессоры Intel, а есть те, на которые можно устанавливать только микросхемы от AMD. Очень важно убедиться в том, что новая плата поддерживает существующие модули памяти. Что касается видеокарты и жестких дисков, обычно никаких проблем не возникает в силу достаточного высокого уровня стандартизации на соответствующих рынках. Но нежелательно, чтобы новая материнская плата и указанные компоненты слишком сильно различались по уровню технологичности. Иначе менее производительный элемент будет тормозить всю систему.

Процессор

Главная микросхема современного компьютера — процессор. Открытая архитектура ПК позволяет по усмотрению пользователя устанавливать на компьютер более мощный, производительный, технологичный процессор. Однако подобная возможность может предполагать ряд ограничений. Так, заменить процессор Intel на AMD без замены другого компонента — материнской платы - в общем случае невозможно. Также проблематична установка одной микросхемы вместо другой того же бренда, но которая принадлежит к иного типа технологической линейке.

Устанавливая более мощный процессор на ПК, необходимо убедиться, что оперативная память, жесткие диски и видеокарта не сильно отстают от него технологически. Иначе, как мы уже отметили выше, замена микросхемы может не принести ожидаемого результата — компьютер не будет работать быстрее. Основные показатели производительности процессора — тактовая частота, количество ядер, величина кэш-памяти. Чем они больше, тем быстрее работает микросхема.

Оперативная память

Данный компонент также непосредственным образом влияет на производительность ПК. Основные функции ОЗУ в целом те же, что были характерны для компьютеров первых поколений. В этом смысле оперативная память - классический аппаратный компонент. Однако тем самым подчеркивается ее важность: до сих пор производители ПК не придумали ей достойной альтернативы.

Основной критерий производительности памяти — это ее объем. Чем он больше, тем быстрее работает компьютер. Также модули ПК обладают тактовой частотой, как и процессор. Чем она выше, тем более производителен компьютер. Замену ОЗУ следует осуществлять, убедившись, что новые модули совместимы с материнской платой.

Видеокарта

Принципы архитектуры ПК первых серий не предполагали выделения видеокарты в отдельный компонент. То есть данное аппаратное решение — это также один из критериев отнесения компьютера к современным поколениям. Видеокарта отвечает за обработку компьютерной графики — одного из наиболее сложных типов данных, требующих высокой производительности микросхем.

Заменять данный аппаратный компонент следует, соотнося основные его характеристики с мощностью и уровнем технологичности процессора, памяти и материнской платы. Закономерность здесь та же, что мы отметили выше: нежелательно, чтобы соответствующие элементы ПК сильно различались по уровню производительности. Для видеокарты ключевые критерии — это объем встроенной памяти, а также тактовая частота основной ее микросхемы.

Бывает, что модуль, отвечающий за обработку компьютерной графики, встроен в процессор. И это нельзя считать признаком того, что компьютер устаревший, наоборот, подобная схема наблюдается на многих современных ПК. Наибольшую популярность данная концепция приобретает в среде производителей ноутбуков. Это вполне логично: брендам необходимо обеспечивать компактность такого типа компьютеров. Видеокарта — это довольно объемный аппаратный компонент, ее размер чаще всего заметно больше процессора или модуля памяти.

Жесткие диски

Жесткий диск — это также классический компонент компьютера. Относится к категории постоянных запоминающих устройств. Типичен для архитектуры современных ПК. На жестких дисках часто хранится основной объем файлов. Можно отметить, что данный компонент в числе наименее требовательных к специфике материнской платы, процессора, ОЗУ и видеокарты. Но опять же, если жесткий диск характеризуется низкой производительностью, то есть вероятность, что работа компьютера будет медленной, даже если на нем будут установлены иные аппаратные компоненты, относящиеся к самым технологичным.

Основной критерий производительности дисков — скорость оборотов. Важен также и объем, но значимость этого параметра зависит от потребностей пользователя. Если на компьютере установлен небольшой по вместительности жесткий диск с очень высокими оборотами, то ПК будет работать быстрее, чем при высокой емкости и низкой скорости вращения соответствующих элементов устройства.

Материнская плата, процессор, ОЗУ, а также видеокарта — внутренние компоненты ПК. Жесткий диск может быть как внутренним, так и внешним, и в этом случае чаще всего съемным. Основные аналоги жесткого диска - флешки, карты памяти. В ряде случаев они могут полностью его заменить, но по возможности рекомендуется все же оснащать ПК хотя бы одним жестким диском.

Понятие архитектуры ПК открытого типа, конечно же, не ограничивается возможностью замены и выбора указанных пяти компонентов. Есть очень много устройств иного назначения, которые входят в состав компьютера. Это приводы DVD и Blue-ray, звуковые карты, принтеры, сканеры, модемы, сетевые карты, вентиляторы. Набор соответствующих компонентов может предопределять конкретная брендированная архитектура ПК. Системная плата, процессор, ОЗУ, видеокарта и жесткий диск — элементы, без которых современный ПК работать не сможет или его функционирование будет крайне затруднено. Они же главным образом определяют скорость работы. И потому, обеспечив установку на компьютере технологичных и современных компонентов соответствующего типа, пользователь сможет собрать высокопроизводительный и мощный ПК.

Компьютеры Apple

Какие еще есть типы архитектур ПК? В числе тех, которые составляют прямую конкуренцию архитектуре IBM, совсем немного. Например, это компьютеры Macintosh от Apple. Конечно, по многим критериям они схожи с архитектурой IBM — в них также есть процессор, память, видеокарта, материнская плата и жесткие диски.

Однако компьютеры от Apple характеризуются тем, что их платформа закрыта. Пользователь весьма ограничен в установке на ПК компонентов по своему усмотрению. Apple — это единственный бренд, который может легально выпускать компьютеры в соответствующей архитектуре. Аналогично Apple — единственный поставщик функциональных операционных систем, выпускаемых в рамках собственной платформы. Таким образом, те или иные виды архитектуры ПК могут различаться не столько аппаратными составляющими компьютера, сколько подходами брендов-производителей к выпуску соответствующих решений. В зависимости от собственной стратегии развития компания может делать акцент на открытости или же закрытости платформы.

Итак, основные особенности архитектуры современных ПК на примере IBM-платформы: отсутствие монопольного бренда-производителя компьютеров, открытость. Причем как в программном, так и в аппаратном аспекте. Что касается главного конкурента IBM-платформы, компании Apple, основные признаки ПК соответствующей архитектуры — это закрытость, а также выпуск компьютеров единственным брендом.

По определению, архитектура - это описание сложной системы, состоящей из множества элементов, как единого целого.

Архитектура современного персонального компьютера является обобщением принципов построения ЭВМ, предложенным группой ученых во главе с Джоном фон Нейманом. В классической архитектуре неймановской ЭВМ можно выделить 5 основных блоков, показанных на рис. 2.1. С помощью устройств ввода (УВв) данные и программы, представленные в двоичной форме, попадают в оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ), или память, машины. Для реализации команд, образующих программу, используется арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические операции, операции сравнения, алгебры логики и др. Взаимодействие ОЗУ и АЛУ осуществляет устройство управления (УУ). С его помощью программа из ОЗУ передается в АЛУ, отыскиваются нужные данные, выполняются вычисления, происходит запись в память и организуется выдача результата посредством устройства вывода (УВыв).

Реальная структура современного компьютера значительно сложнее, что обусловлено стремлением к повышению его производительности и функциональных возможностей

Так, в структуре персональной ЭВМ появилась кэшпамять, введены каналы прямого доступа к оперативной памяти, используемые для обмена данными с устройствами ввода/вывода, минуя микропроцессор.

Периферийные устройства подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры (К) или адаптеры (А) - устройства управления, освобождая процессор от непосредственного управления данным оборудованием.

В архитектуре персонального компьютера появился сопроцессор - устройство, функционирующее параллельно с главным процессором и выполняющее специфические операции: например, математический сопроцессор предназначен для сложных математических вычислений.

Системный блок является центральной частью ПК. В корпусе системного блока размещены внутренние устройства ПК. В состав системного блока входят следующие Устройства:

Системная (материнская) плата с микропроцессором;

Оперативная память;

Накопитель на жестком магнитном диске;

Контроллеры или адаптеры для подключения и управления внешними устройствами ПК (монитором, звуковыми колонками и др.);

Порты для подключения внешних устройств (принтер,

мышьи др.);

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) для гибких магнитных дисков и лазерных дисков типа CD-ROM и DVD-ROM.

Системная плата является интегрирующим (объединяющим) узлом ПК. Системная плата во многом определяет конфигурацию ПК, поскольку от ее параметров зависит тип используемого микропроцессора, максимальный объем оперативной памяти, количество и способы подключения внешних устройств ПК и другие характеристики.

Микропроцессор (или процессор) - это главная микросхема компьютера. Он запускает программный код, находящийся в памяти, и управляет всеми устройствами компьютера либо напрямую, либо через соответствующие контроллеры.

Основой любого микропроцессора является ядро, которое состоит из миллионов транзисторов, расположенных на кристалле кремния. Микропроцессор имеет специальные ячейки, которые называются регистрами общего назначения (РОН). Работа процессора состоит в выборе из памяти в определенной последовательности команд и данных и их выполнении. Для повышения быстродействия ПК микропроцессор снабжен внутренней кэш-памятью.

Процессоры Intel, используемые в IBM-совместимых ПК, насчитывают более тысячи команд и относятся к процессорам с расширенной системой команд - CISC-процессорам (CISC - Complex Instruction Set Computing).

Обмен данными и командами между внутренними устройствами ПК происходит по проводникам многожильного кабеля - системной шине. Основной задачей системной шины является передача данных между процессором и остальными электронными узлами компьютера. Различают три вида шин:

Шина данных;

Шина адреса;

Шина команд.

Шина данных. По этой шине происходит передача данных из оперативной памяти в РОН процессора и наоборот. В ПК на базе процессоров Intel Pentium шина данных 64-разрядная, т. е. за один такт на обработку поступает сразу 8 байт данных.

Шина адреса. По этой шине передаются адреса ячеек оперативной памяти, где находятся команды, которые необходимо выполнить процессору. Кроме этого, по этой шине передаются данные, с которыми оперируют команды. В современных процессорах адресная шина 32-разрядная, то есть она состоит из 32 параллельных проводников.

Шина команд. По этой шине из оперативной памяти поступают команды, выполняемые процессором. Команды представлены в виде байтов. Простые команды занимают один байт, а более сложные - два, три и больше байтов. Большинство современных процессоров имеют 32-разрядную командную шину, хотя существуют 64-разрядные процессоры с 64-разрядной командной шиной.

Рассмотрим основные шинные интерфейсы системных плат, но более подробно остановимся на шине USB.

USB (Universal Serial Bus). Универсальная последовательная шина USB является обязательным элементом современного ПК, она пришла на смену устаревшим параллельным и последовательным портам. Шина USB представляет собой последовательный интерфейс передачи Данных для средне- и низкоскоростных периферийных Устройств. Она позволяет подключить до 256 разных устройств с последовательным интерфейсом. Шина USB поддерживает автоопределение (Plug and play) новых устройств, а также так называемое «горячее» подключение, то есть подключение к работающему компьютеру без его перезагрузки. Скорость передачи данных по USB составляет 1,5 Мбит/с. Приведем без пояснения другие типы ^ин: ISA (Industry Standard Architecture), PCI (Peripheral Component Interconnect), FSB (Front Side Bus), AGP (Advanced Graphic Port).

Все виды запоминающих устройств, расположенные на системной плате, образуют внутреннюю память ПК, к которой относятся:

Оперативная память;

Сверхоперативная память (кэш-память);

Постоянная память.

Оперативная память RAM (Random Access Memory) используется для хранения исполняемых в данный момент программ и необходимых для этого данных. Через оперативную память происходит обмен командами и данными между микропроцессором, внешней памятью и периферийными устройствами. Высокое быстродействие определяет название (оперативная) данного вида памяти. Ключевой особенностью оперативной памяти является ее энергозависимость, т.е. данные хранятся в ней только при включенном компьютере.

По физическому принципу действия различают динамическую память DRAM и статическую память SRAM.

Динамическая память при всей простоте и низкой стоимости обладает существенным недостатком, заключающимся в необходимости периодической регенерации (обновлении) содержимого памяти.

Микросхемы динамической памяти используются как основное оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), а микросхемы статической - для кэш-памяти.

Кэш-память (Cache memory) используется для повышения быстродействия ПК. Принцип «кэширования» заключается в использовании быстродействующей памяти для хранения наиболее часто используемых данных или команд, при этом сокращается количество обращений к более медленной оперативной памяти.

Постоянная память ROM (Read Only Memory) предназначена для хранения неизменяемой информации и размещается в микросхеме постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). Микросхема ПЗУ способна продолжительное время сохранять информацию даже при отключенном компьютере, поэтому постоянную память также называют энергонезависимой памятью.

Комплект программ, находящийся в ПЗУ, составляет базовую систему ввода/вывода BIOS (Basic Input/Output с tem). bios содержит программы управления клавиатурой, видеокартой, дисками, портами и другими устройствами. Основное назначение этих программ состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность системы и обеспечить взаимодействие основных узлов ПК до загрузки какой-либо операционной системы. Кроме этого, в BIOS входит программа тестирования, которая выполняется при включении компьютера.

Архитектура персонального компьютера (ПК) включает в себя структуру, которая отражает состав ПК, и программное обеспечение.

Структура ПК – это набор его функциональных элементов (от основных логических узлов до простейших схем) и связей между ними.

Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов ПК, к которым относят процессор, оперативное запоминающее устройство, внешние запоминающие устройства и периферийные устройства.

Основным принципом построения всех современных ПК является программное управление.

Классическая архитектура фон Неймана

В $1946$ году американские математики Джон фон Нейман, Герман Голдштейн и Артур Бёркс в совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. На основе этих принципов производилось $1$-е и $2$-е поколение компьютеров. В следующих поколениях происходили некоторые изменения, но принципы фон Неймана (как они были названы) сохранялись.

Основные принципы фон Неймана:

Использование двоичной системы счисления в ПК, в которой устройствам гораздо проще выполнять арифметико-логические операции, чем в десятичной.
Программное управление ПК. Работа ПК управляется программой, которая состоит из набора команд, выполняющихся последовательно одна за другой. Создание машины с хранимой в памяти программой положило начало программированию.
Данные и программы хранятся в памяти ПК. Команды и данные кодируются одинаково в двоичной системе.
Ячейки памяти ПК имеют последовательно пронумерованные адреса. Возможность обращения к любой ячейке памяти по ее адресу позволила использовать переменные в программировании.
Возможность условного перехода при выполнении программы. Команды в ПК выполняются последовательно, но при необходимости можно реализовать переход к любой части кода.

Основным принципом было то, что программа уже стала не постоянной частью машины, а изменяемой, в отличие от аппаратуры, которая остается неизменной и очень простой.

Фон Нейманом также была предложена структура ПК (рис. 1).

Рисунок 1. Структура ПК

В состав машины фон Неймана входили:

запоминающее устройство (ЗУ);
арифметико-логическое устройство (АЛУ), которое выполняло все арифметические и логические операции;
устройство управления (УУ), которое координирует действия всех узлов машины в соответствии с программой;
устройства ввода-вывода.

Программы и данные вводились в ЗУ из устройства ввода через АЛУ. Все команды программы записывались в ячейки памяти последовательно, а данные для обработки – в произвольные ячейки.

Команда состояла из указания операции, которую необходимо выполнить, и адресов ячеек памяти, в которых хранятся данные и над которыми необходимо выполнить нужную операцию, а также адреса ячейки, в которую необходимо записать результат (для хранения в ЗУ).

Из АЛУ результаты выводятся в ЗУ или устройство вывода. Принципиально эти устройства отличаются тем, что в ЗУ данные хранятся в удобном для обработки ПК виде, а на устройства вывода (монитор, принтер и т.п.) в удобном для человека.

От УУ на другие устройства поступают сигналы с командами, а от других устройств УУ получает информацию о результате их выполнения.

В УУ содержится специальный регистр (ячейка) – счетчик команд, в который записывается адрес первой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое соответствующей ячейки памяти 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.

После выполнения команды счетчик команд увеличивается на $1$ и указывает на следующую команду программы. При необходимости выполнения команды, которая не следует по порядку за текущей, специальная команда перехода содержит адрес ячейки, в которую нужно передать управление.

Архитектура современных ПК

В основу архитектуры современных ПК заложен магистрально-модульный принцип. ПК состоит из отдельных частей – модулей, которые являются относительно самостоятельными устройствами ПК (напрмер, процессор, оперативная память, контроллер, дисплей, принтер, сканер и т.д.).

Модульный принцип позволяет пользователю самостоятельно комплектовать необходимую конфигурацию ПК и производить при необходимости его обновление. Модульная организация системы опирается на магистральный принцип обмена информацией. Для работы ПК как единого механизма необходимо осуществлять обмен данными между различными устройствами, за что отвечает системная (магистральная) шина, которая выполняется в виде печатного мостика на материнской плате.

Основные особенности архитектуры ПК сводятся к принципам компоновки аппаратуры, а также к выбранному набору системных аппаратных средств.

Подобная архитектура характеризуется ее открытостью – возможностью включения в ПК дополнительных устройств (системных и периферийных), а также возможностью простого встраивания программ пользователя на любом уровне программного обеспечения ПК.

Замечание 1

Также совершенствование архитектуры ПК связано с максимальным ускорением обмена информацией с системной памятью. Именно из системной памяти, в которой хранятся данные, ПК считывает все исполняемые команды. Таким образом больше всего обращений центральный процессор совершает к памяти и ускорение обмена с памятью приведет к существенному ускорению работы всей системы в целом.

Т.к. при использовании системной магистрали для обмена процессора с памятью приходится учитывать скоростные ограничения самой магистрали, то существенного ускорения обмена данными с помощью магистрали добиться невозможно.

Для решения этого вопроса был предложен следующий подход. Системная память вместо системной магистрали подключается к специальной высокоскоростной шине, которая дистанционно находится ближе к процессору и не требует сложных буферов и больших расстояний. В этом случае обмен с памятью идет с максимально возможной для процессора скоростью, и системная магистраль не замедляет его. Особенно актуальным это решение стало с ростом быстродействия процессора.

Таким образом, структура ПК из одношинной, которая применялась только в первых компьютерах, становится трехшинной.

Рисунок 2. Трехшинная структура ПК

АЛУ и УУ в современных ПК образуют процессор. Процессор, который состоит из одной или нескольких больших интегральных схем, называется микропроцессором или микропроцессорным комплектом.

Многопроцессорная архитектура ПК

Наличие в ПК нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и команд, т.е. одновременно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи.

Рисунок 3. Архитектура многопроцессорного ПК

Многомашинная вычислительная система

В архитектуре многомашинной вычислительной системы каждый процессор имеет свою оперативную память. Применение многомашинной вычислительной системы эффективно при решении задач, которые имеют очень специальную структуру, которая должна состоять из такого количества ПК, на сколько слабо связанных подзадач разбита система.

Многопроцессорные и многомашинные вычислительные системы имеют преимущество перед однопроцессорными в быстродействии.

Архитектура с параллельными процессорами

В данной архитектуре несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе, т. е. по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных.

Рисунок 4. Архитектура с параллельным процессором

В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений. Существуют и другие архитектурные решения, отличные от рассмотренных выше.

Author24.ru

Архитектура компьютерной системы: классификация и определение

Современные компьютерные решения могут быть классифицированы, исходя из их отнесения к той или иной архитектуре. Но что она может представлять собой? Каковы основные подходы к пониманию данного термина?

Архитектура компьютерных систем как совокупность аппаратных компонентов

В чем заключается сущность понятия «архитектура компьютерной системы»? Под соответствующим термином прежде всего можно понимать совокупность электронных компонентов, из которых состоит ПК, взаимодействующих в рамках определенного алгоритма с использованием различных типов интерфейсов.

Основные компоненты, которые входят в состав компьютерной системы:

устройство ввода;
главный вычислительный чипсет;
устройства для запоминания данных;
компоненты, предназначенные для вывода информации.

В свою очередь, каждый из отмеченных компонентов может включать в себя большое количество отдельных устройств. Например, главный вычислительный чипсет может включать в себя процессор, набор микросхем на материнской плате, модуль обработки графических данных. При этом тот же процессор может состоять из иных компонентов: например, ядра, кэш-памяти, регистров.

Исходя, собственно, из структуры конкретных аппаратных компонентов ПК, определяется то, какая архитектура компьютерной системы выстроена. Рассмотрим основные критерии, в соответствии с которыми те или иные вычислительные решения могут классифицироваться.

Классификация компьютерных систем

В соответствии с распространенным в среде экспертов подходом, компьютерные системы по своей архитектуре могут относиться:

к большим ЭВМ;
к мини-ЭВМ;
к персональным компьютерам.

Следует отметить, что данная классификация вычислительных решений, в соответствии с которой может определяться архитектура компьютерной системы, многими экспертами признается устаревшей. В частности, те же персональные компьютеры сегодня могут подразделяться на большое количество разновидностей, очень несхожих по назначению и характеристикам.

Таким образом, по мере того как развиваются компьютерные системы, архитектура компьютера может быть классифицирована с использованием меняющихся критериев. Тем не менее обозначенная схема считается традиционной. Полезно будет рассмотреть ее подробнее. В соответствии с ней, первый тип ЭВМ - те, что относятся к архитектуре больших машин.

Большие ЭВМ

Большие ЭВМ,или мейнфреймы, чаще всего используются в промышленности - как центры обработки данных по различным производственным процессам. В них могут быть инсталлированы мощные, исключительно высокопроизводительные чипы.

Рассматриваемая архитектура компьютерной системы может осуществлять до нескольких десятков миллиардов вычислений в секунду. Стоят большие ЭВМ несопоставимо дороже остальных систем. Как правило, их обслуживание требует участия довольно большого количества людей, имеющих необходимую квалификацию. Во многих случаях их работа осуществляется в рамках подразделений, организованных в качестве вычислительного центра предприятия.

Мини-ЭВМ

Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей на их основе может быть представлена решениями, классифицированными как мини-ЭВМ. В целом их назначение может быть аналогичным, что и в случае с мейнфреймами: весьма распространено применение соответствующего типа компьютеров в промышленности. Но, как правило, их использование свойственно для относительно небольших предприятий, средних бизнесов, научных организаций.

Современные мини-ЭВМ: возможности

Во многих случаях применение данных компьютеров осуществляется как раз в целях эффективного управления внутрикорпоративными сетями. Таким образом, рассматриваемые решения могут использоваться, в частности, как высокопроизводительные серверы. Они также оснащены очень мощными процессорами, такими как, например, Xeon Phi от Intel. Данный чип может работать со скоростью более 1 терафлопса. Соответствующий процессор рассчитан на производство по техпроцессу 22 нм и имеет пропускную способность памяти в значении 240 ГБ/с5.

Персональные компьютеры

Следующий тип компьютерной архитектуры - ПК. Вероятно, он является самым распространенным. ПК не столь мощны и высокопроизводительны как мейнфреймы и микро-ЭВМ, но во многих случаях способны решать задачи и в сфере промышленности, и в области науки, не говоря о типичных пользовательских задачах, таких как запуск приложений и игр.

Еще одна примечательная особенность, характеризующая персональные компьютеры, заключается в том, что их ресурсы могут быть объединены. Вычислительные мощности достаточно большого количества ПК, таким образом, могут быть сопоставимы с производительностью компьютерных архитектур вышестоящего класса, но, конечно, достигнуть их уровней номинально с помощью ПК весьма проблематично.

Тем не менее архитектура компьютерных систем, сетей на основе персональных компьютеров характеризуется универсальностью, с точки зрения реализации в различных отраслях, доступностью и масштабируемостью.

Персональные компьютеры: классификация

Как мы отметили выше, ПК могут быть классифицированы на большое количество разновидностей. В числе таковых: десктопы, ноутбуки, планшеты, КПК, смартфоны - объединяющие в себе ПК и телефоны.

Как правило, самыми мощными и производительными архитектурами обладают десктопы; наименее мощные - смартфоны и планшеты в связи с небольшими размерами и необходимостью существенно уменьшать ресурсы аппаратных компонентов. Но многие из соответствующих девайсов, особенно топовых моделей, по скорости работы, в принципе, сопоставимы с ведущими моделями ноутбуков и бюджетными десктопами.

Отмеченная классификация ПК свидетельствует об их универсальности: в тех или иных разновидностях они могут решать типичные пользовательские задачи, производственные, научные, лабораторные. ПО, архитектура компьютерных систем соответствующего типа во многих случаях адаптированы к использованию рядовым гражданином, не имеющим специальной подготовки, которая может потребоваться человеку, работающему с мейнфреймом или же мини-ЭВМ.

Как установить отнесение вычислительного решения к ПК?

Главный критерий отнесения вычислительного решения к ПК - факт его персональной ориентированности. То есть соответствующего типа компьютер рассчитан, главным образом, на задействование одним пользователем. Однако многие инфраструктурные ресурсы, к которым он обращается, носят неоспоримо социальный характер: это можно проследить на примере пользования интернетом. При том что вычислительное решение персональное, практическая эффективность в его задействовании может фиксироваться только лишь в случае получения человеком доступа к источникам данных, сформированным другими людьми.

Классификация ПО для компьютерных архитектур: мейнфреймы и мини-ЭВМ

Наряду с классификацией компьютеров, рассмотренной нами выше, существуют также критерии отнесения к тем или иным категориям программ, которые инсталлируются на соответствующие типы вычислительной техники. Что касается мейнфреймов и близких им по назначению, а в некоторых случаях и по производительности мини-ЭВМ, то на них, как правило, реализована возможность задействования нескольких операционных систем, адаптированных для решения конкретных производственных задач. В частности данные ОС могут быть приспособлены к запуску различных средств автоматизации, виртуализации, внедрения промышленных стандартов, интеграции с различными видами ПО прикладного назначения.

Классификация ПО: персональные компьютеры

Программы для обычных ПК могут быть представлены в разновидностях, оптимизированных для решения, в свою очередь, пользовательских задач, а также тех производственных, что не требуют того уровня производительности, который характеризует мейнфреймы и мини-ЭВМ. Есть, таким образом, программы для ПК промышленные, научные, лабораторные. ПО, архитектура компьютерных систем соответствующего типа зависит от конкретной отрасли, в которой они применяются, от предполагаемого уровня квалификации пользователя: очевидно, что профессиональные решения для промышленного дизайна могут быть не рассчитаны на человека, имеющего лишь базовые знания в области применения компьютерных программ.

Программы для ПК в тех или иных разновидностях имеют во многих случаях интуитивно понятный интерфейс, различную справочную документацию. В свою очередь, мощности мейнфреймов и мини-ЭВМ могут быть в полной мере использованы при условии не только следования инструкциям, но также и при регулярном внесении пользователем изменений в структуру запускаемых программ: для этого и могут понадобиться дополнительные знания, например, связанные с использованием языков программирования.

Уровни программной архитектуры ПК

Понятие «архитектура компьютерных систем» учебник информатики, в зависимости от взглядов его автора, может трактовать по-разному. Еще одна распространенная интерпретация соответствующего термина предполагает его соотнесение с уровнями программного обеспечения. При этом не имеет принципиального значения то, в какой конкретно вычислительной системе соответствующие уровни ПО реализованы.

В соответствии с данным подходом, под архитектурой компьютера следует понимать набор различных типов данных, операций, характеристик программного обеспечения, задействуемого в целях поддержания функционирования аппаратных компонентов компьютера, а также создания условий, при которых пользователь получает возможность применить данные ресурсы на практике.

Архитектуры программных уровней

Эксперты выделяют следующие основные архитектуры компьютерных систем в контексте рассматриваемого подхода к пониманию соответствующего термина:

цифровая логическая архитектура вычислительного решения - фактически, аппаратное обеспечение ПК в виде различных модулей, ячеек, регистров - например, находящихся в структуре процессора;
микроархитектура на уровне интерпретации различных микропрограмм;
архитектура трансляции специальных команд - на уровне ассемблера;
архитектура интерпретации соответствующих команд и их реализации в программный код, понятный операционной системе;
архитектура компиляции, позволяющая вносить изменения в программные коды тех или иных видов ПО;
архитектура языков высокого уровня, позволяющих приспособить программные коды к решению конкретных пользовательских задач.

Значение классификации программной архитектуры

Конечно, эта классификация в контексте рассмотрения данного термина как соответствующего уровням программного обеспечения, может быть очень условной. Архитектура компьютера и проектирование компьютерных систем, в зависимости от их технологичности и назначения, может потребовать иных подходов разработчиков в классификации уровней ПО, а также, собственно, к пониманию сущности термина, о котором идет речь.

Несмотря на то что данные представления теоретические, их адекватное понимание имеет большое значение, поскольку способствует разработке более эффективных концептуальных подходов к выстраиванию тех или иных типов вычислительной инфраструктуры, позволяет разработчикам оптимизировать свои решения к запросам пользователей, решающих конкретные задачи.

Резюме

Итак, мы определили сущность термина «архитектура компьютерной системы», то, каким образом он может рассматриваться в зависимости от того или иного контекста. В соответствии с одним из традиционных определений, под соответствующей архитектурой может пониматься аппаратная структура ПК, предопределяющая уровень его производительности, специализацию, требования к квалификации пользователей. Данный подход предполагает классификацию современных компьютерных архитектур на 3 основные категории - мейнфреймы, мини-ЭВМ, а также ПК (которые, в свою очередь, также могут быть представлены различными разновидностями вычислительных решений).

Как правило, каждый тип указанных архитектур рассчитан на решение определенных задач. Мейнфреймы и мини-ЭВМ чаще всего находят применение в промышленности. С помощью ПК также можно решать широкий круг производственных задач, осуществлять инженерные разработки - для этого также приспособлена соответствующая архитектура компьютерных систем. Лабораторные работы, научные эксперименты с такой техникой становятся понятнее и эффективнее.

Еще одна трактовка термина, о котором идет речь, предполагает его соотнесение с конкретными уровнями программного обеспечения. В этом смысле архитектура компьютерных систем - рабочая программа, обеспечивающая функционирование ПК, а также создающая условия для использования его вычислительных мощностей на практике в целях решения тех или иных пользовательских задач.

fb.ru

Что собой представляет архитектура ПК

Архитектура современного ПК представляет собой логическую организацию, структуру и ресурсы, то есть механизмы вычислительной системы. Последние могут выделяться на определенный временной интервал для процесса обработки информации.

Правила построения персонального компьютера

Основой современной вычислительной машины являются принципы архитектуры ПК, сформулированные Джоном Нейманом:

1. Программное управление. Состоит из группы команд, которые выполняет процессор автоматически (одну за другой в определенной последовательности).

2. Однородность памяти. Программы и другие данные хранятся в одном разделе памяти. Одни и те же действия выполняются и над данными, и над командами.

3. Адресность. Основная память состоит из пронумерованных секторов (ячеек).

Построение персонального компьютера

Классическая архитектура ПК строится на вышеперечисленных принципах. Она определяет условия работы, информационные связи, взаимное соединение главных логических узлов персонального компьютера. К ним относятся внешняя и основная память, центральный процессор и периферийные устройства.

Персональный компьютер конструктивно выполнен в виде основного системного блока. К нему через специализированные разъемы присоединяются периферийные устройства. Архитектура ПК содержит следующие основные узлы: системную плату, блок питания, накопители на жестком магнитном и оптическом дисках, интерфейсы для дополнительных и внешних устройств. В свою очередь, на материнской (системной) плате располагаются микропроцессор, тактовый генератор импульсов, математический сопроцессор и микросхемы памяти. А также таймер, контроллеры периферийных устройств, видео- и звуковая карта.

Архитектура ПК основана на модульно-магистральном принципе. Данное правило позволяет пользователю самостоятельно комплектовать требуемую конфигурацию персонального компьютера, а также (при необходимости) производить ее модернизацию. Удобство модульной организации системы заключается в магистральном принципе обмена данными. Контроллеры всех устройств взаимодействуют с оперативной памятью и микропроцессором через главную магистраль передачи информации, которую называют "системной шиной". Она выполнена в виде печатного моста на материнской плате. Системная шина – это главный интерфейс вычислительной машины, и вся архитектура ПК построена вокруг нее. Именно этот элемент обеспечивает связь и сопряжение всех устройств друг с другом. Системная шина производит три направления передачи данных:

Между основной памятью и микропроцессором;

Между портами ввода и вывода внешних устройств и процессором;

Между портами и основной памятью.

Внешние устройства персонального компьютера обеспечивают связь последнего с окружающей средой: объектами управления, пользователями и другими вычислительными машинами.

Основные функциональные характеристики ПК:

1. Быстродействие, производительность, тактовая частота.

2. Разрядность кодовых шин интерфейсов и микропроцессора.

3. Типы локальных и системных контроллеров.

4. Размер оперативной памяти.

5. Емкость жесткого диска.

6. Наличие, размер и виды кэш-памяти.

7. Тип видеоадаптера.

8. Вид мультимедийных аудиосредств.

9. Программное обеспечение.

10. Аппаратная совместимость с другими персональными компьютерами.

11. Возможность работы машины в вычислительной сети, а также в многозадачном режиме.

Введение ………………………………………………………. 3

1. Теоретическая часть …………………………………………….. 4

1.1. Основные понятия об архитектуре современного ПК ……… 4

1.2. Классификация элементов архитектуры

современного ПК …………………………………………….. 5

1.3. Подробная характеристика элементов архитектуры

современного ПК …………………………………………….. 6

2. Практическая часть ……………………………………………. 14

2.1. Общая характеристика задачи ……………………………….. 14

2.2. Описание алгоритма решения задачи ……………………….. 16

Заключение …………………………………………………… 24

Список использованной литературы ……………………….. 25

Введение

Появление персональных компьютеров - это революционный прорыв на фронте развития информационных технологий. Персональные компьютеры прочно заняли свое место в офисах, торговых фирмах, на производстве и дома. Сегодня компьютер и помощник в нашем бизнесе, и источник свежих новостей из «всемирной паутины» - сети Интернет, и средство мобильной связи, позволяющее с помощью электронной почты быстро передать и получить информацию.

Пользователю необходимо знать архитектуру ПК, т.к. без знания тех процессов, которые происходят внутри компьютера, основных устройств, необходимых для работы, пользователь не сможет реализовать свои потребности по выполнению тех или иных задач.

В теоретической части данной курсовой работы будет рассмотрена архитектура современного ПК, подробно будут изучены ее элементы: микропроцессор; генератор тактовых импульсов; системная шина; основная память; внешняя память; источник питания; таймер; внешние устройства; устройства ввода и вывода информации; средства мультимедиа; внутримашинный интерфейс.

В практической части данной курсовой работы будет решена задача по формированию ведомости затрат на приобретение ГСМ. Эта задача была решена с использованием программы Microsoft Office Excel.

Для выполнения курсовой работы использовался следующий состав ТО и ПО: процессор Intel (R) Pentium (R) 4 CPU, операционная система Microsoft Windows XP Professional, программы – Microsoft Office Word 2007, Microsoft Office Excel 2007.

Теоретическая часть

Основные понятия об архитектуре современного ПК

Компьютер - это многофункциональное электронное устройство для накопления, обработки и передачи информации. Под архитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности компьютера при решении различных задач. 8, С. 22

В основу построения большинства ЭВМ положены принципы, сформулированные в 1945 г. Джоном фон Нейманом:

Принцип программного управления (программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определённой последовательности).

Принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными).

Принцип адресности (основная память структурно состоит из нумерованных ячеек).

ЭВМ, построенные на этих принципах, имеют классическую архитектуру (архитектуру фон Неймана). Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Архитектура ПК определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: центрального процессора, основной памяти, внешней памяти, периферийных устройств. Характерной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что память представляет собой единое адресное пространство, предназначенное для хранения как программ, так и данных. 4, С. 466

В современных компьютерах архитектура фон Неймана сохранилась в виде ядра, вокруг которого вырастают новые блоки.

Классификация элементов архитектуры современного ПК

Архитектура компьютера определяется совокупностью ее свойств, существенных для пользователя. Структуру и функциональные возможности машины можно разделить на основные и дополнительные. Основные функции определяют назначение ЭВМ: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами. Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций: обеспечивают эффективные режимы ее работы, диалог с пользователем, высокую надежность и др. Функции ЭВМ реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных средств.

В состав современного ПК входят : микропроцессор (МП); генератор тактовых импульсов; системная шина; основная память (ОП); внешняя память; источник питания; таймер; внешние устройства (ВУ) (внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК; диалоговые средства пользователя; устройства ввода и вывода информации; средства мультимедиа; внутримашинный интерфейс; шины расширений; локальные шины.

Рис. 1 . Структурная схема персонального компьютера 5, С. 130

Подробная характеристика элементов архитектуры

современного ПК

Конструктивно ПК выполнены в виде центрального системного блока, к которому через разъемы подключаются внешние устройства: дополнительные устройства памяти, клавиатура, дисплей, принтер и др.

Системный блок обычно включает в себя системную плату, блок питания, накопители на дисках, разъемы для дополнительных устройств и платы расширения с контроллерами - адаптерами внешних устройств.

На системной плате (материнской плате ), как правило, размещаются: микропроцессор; математический сопроцессор; генератор тактовых импульсов; блоки (микросхемы) ОЗУ и ПЗУ; адаптеры клавиатуры, НЖМД и НГМД; контроллер прерываний; таймер и др.

Микропроцессор (МП) - это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

В состав микропроцессора входят:

устройство управления (УУ) - формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления, обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов;

арифметико-логическое устройство (АЛУ) - предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией;

микропроцессорная память (МПП) - служит для кратковременного характера, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессор;

интерфейсная система микропроцессора - реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной. Интерфейс (interface) - совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. Порт ввода-вывода (I/O - Input/Output port) - аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК.

Генератор тактовых импульсов

Он генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины.

Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, т.к. каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

Системная шина . Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Системная шина включает в себя:

кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода;

кодовую шину адреса (КША), включающую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;

кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины;

шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

между микропроцессором и основной памятью;

между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через кон троллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему - контроллер шины, формирующий основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.

Основная память (ОП) . Она предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (изменить информацию в ПЗУ нельзя).

ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка ОЗУ следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость).

Внешняя память . Она относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, но наиболее распространенными, имеющимися практически на любом компьютере, являются накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках.

Назначение этих накопителей - хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. Различаются НЖМД и НГМД лишь конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации.

В качестве устройств внешней памяти используются также запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (стриммеры), накопители на оптических дисках (CD-ROM - Compact Disk Read Only Memory - компакт-диск с памятью, только читаемой) и др.

Источник питания . Это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.

Таймер . Это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания - аккумулятору и при отключении машины от сети продолжает работать.

Внешние устройства (ВУ) . Это важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса. Достаточно сказать, что по стоимости ВУ иногда составляют 50 - 80% всего ПК. От состава и характеристик ВУ во многом зависят возможность и эффективность применения ПК в системах управления и в народном хозяйстве в целом.

ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими ЭВМ. ВУ весьма разнообразны и могут быть классифицированы по ряду признаков. Так, по назначению можно выделить следующие виды ВУ:

внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК;

диалоговые средства пользователя;

устройства ввода информации;

устройства вывода информации;

средства связи и телекоммуникации.

Диалоговые средства пользователя включают в свой состав видеомониторы (дисплеи), реже пультовые пишущие машинки (принтеры с клавиатурой) и устройства речевого ввода-вывода информации.

Видеомонитор (дисплеи) - устройство для отображения вводимой и выводимой из ПК информации.

Устройства речевого ввода-вывода относятся к быстроразвивающимся средствам мультимедиа. Устройства речевого ввода - это различные микрофонные акустические системы, "звуковые мыши", например, со сложным программным обеспечением, позволяющим распознавать произносимые человеком буквы и слова, идентифицировать их и закодировать.

Устройства речевого вывода - это различные синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через громкоговорители (динамики) или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру. 5, С. 130-133

К устройствам ввода информации относятся:

клавиатура - устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК;

графические планшеты (диджитайзеры) - для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера);

сканеры (читающие автоматы) - для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей; в устройстве кодирования сканера в текстовом режиме считанные символы после сравнения с эталонными контурами специальными программами преобразуются в коды ASCII, а в графическом режиме считанные графики и чертежи преобразуются в последовательности двухмерных координат;

манипуляторы (устройства указания): джойстик - рычаг, мышь, трекбол - шар в оправе, световое перо и др. - для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК;

сенсорные экраны - для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК;

цифровая фотокамера – устройство для получения, хранения и передачи в компьютер фотоизображения. 1, С. 27

К устройствам вывода информации относятся:

принтеры - печатающие устройства для регистрации информации на бумажный носитель. Принтеры делятся по способу печати на три основных типа: матричные, струйные, лазерные.

графопостроители (плоттеры) - для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель.

Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи и т.п.) и для подключения ПК к каналам связи, к другим ЭВМ и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы, мультиплексоры передачи данных, модемы).

В частности, показанный на рис. 1 сетевой адаптер является внешним интерфейсом ПК и служит для подключения его к каналу связи для обмена информацией с другими ЭВМ, для работы в составе вычислительной сети. В глобальных сетях функции сетевого адаптера выполняет модулятор-демодулятор.

Средства мультимедиа (multimedia - многосредовость) - это комплекс
аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с
компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук,
видео, графику, тексты, анимацию и др.

Одним из первых и наиболее используемых составляющих мультимедийных устройств является звуковая плата и необходимые для ее работы акустические системы, позволяющие выполнять обработку и воспроизведение звука.

К акустическим системам мультимедиа, прежде всего относятся музыкальные колонки, осуществляющие усиление и передачу звука. Они могут быть активными, т.е. включать в свой состав стереоусилитель, и пассивными, т.е. не применять его.

Весомое, если не основное, место занимает накопитель на компакт-дисках CD-ROM, позволяющий работать с большими массивами данных и программ.

Для работы CD-ROM необходим контроллер, осуществляющий его подключение и управление. Как правило, контроллеры размещают на звуковых картах для компактности размещения.

К системной шине и к МП ПК наряду с типовыми внешними устройствами включены платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора: математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.

Характеристика внутримашинного системного интерфейса

Внутримашинный системный интерфейс - система связи и сопряжения узлов и блоков ПК между собой - представляет собой совокупность электрических линий связи (проводов), схем сопряжения с компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов.

Существуют два варианта организации внутримашинного интерфейса.

Многосвязный интерфейс: каждый блок ПК связан с прочими блоками своими локальными проводами; многосвязный интерфейс применяется, как правило, только в простейших бытовых ПК.

Односвязный интерфейс: все блоки ПК связаны друг с другом через общую или системную шину.

Важнейшими функциональными характеристиками системной шины являются: количество обслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность, т.е. максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит от ее разрядности (есть шины 8-, 16-, 32- и 64-разрядные) и тактовой частоты, на которой шина работает.

В качестве системной шины в разных ПК использовались и могут использоваться:

шины расширений - шины общего назначения, позволяющие подключать большое число самых разнообразных устройств;

локальные шины, специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса. 5, С. 133-136

Заключение

В теоретической части данной курсовой работы последовательно рассмотрена архитектура современного ПК, описаны следующие ее элементы:

микропроцессор;

генератор тактовых импульсов;

системная шина;

основная память;

внешняя память;

источник питания;

таймер; внешние устройства;

устройства ввода и вывода информации;

средства мультимедиа;

внутримашинный интерфейс.

В практической части курсовой работы приведено решение задачи по формированию ведомости затрат на приобретение ГСМ. В ходе решения задачи были использованы исходные данные о ценах и количестве приобретенного топлива. В соответствии с этими данными были построены таблицы и выполнены расчеты средней цены 1 л топлива по каждому его виду с помощью мастера функций. Была сформирована и заполнена сводная ведомость затрат на приобретение ГСМ за квартал, построен график по результатам расчета средней цены 1 л топлива по каждому месяцу и по каждому виду топлива.

Список литературы

Жукова Е.Л., Бурда Е.Г. Информатика: Учебное пособие. – М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К»; Ростов н/Д: Наука-Пресс, 2007. – 272 с.

Информатика: Лабораторный практикум для студентов II курса всех специальностей. – М.: Вузовский учебник, 2006. – 94 с.

Информатика: Методические указания по выполнению курсовой работы для самостоятельной работы студентов II курса (первое высшее образование). - М.: Вузовский учебник, 2006. – 60 с.

Информатика: Учеб. пособие для студ. пед. Вузов / А.В. Могилев, Н.И. Пак, Е.К. Хеннер; Под ред. Е.К. Хеннера. – 2-е изд., стер. – М.: Изд. центр «Академия», 2001. – 816 с.

Информатика: Учебник. – 3-е перераб. изд./Под ред. проф. Н.В. Макаровой. – М.: Финансы и статистика, 2001. – 768 с.

Михеева Е.В. Информационные технологии в профессиональной деятельности: учеб. пособие для студ. сред. Проф. образования / Е.В. Михеева. – 6-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 384 с.

Хахутаишвили М.Ш. Информатика и информационные технологии в подготовке специалистов экономического профиля: Учебное пособие для средних специальных учебных заведений потребительской кооперации: Часть I / Под общ. науч. ред. д-ра пед. наук, проф. Н.Е. Астафьевой. – г. Мытищи Московск. обл.: ЦУМК Центросоюза Российской Феедрации, 2000. – 128 с.

Экономическая информатика: Учебник / Под ред. А.П. Косарева и Л.В. Еремина. – М.: Финансы и статистика, 2002. – 592 с.: ил.

Архитектура персонального компьютера (ПК) включает в себя структуру, которая отражает состав ПК, и программное обеспечение.

– это набор его функциональных элементов (от основных логических узлов до простейших схем) и связей между ними.

Архитектура определяет принципы действия , информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов ПК, к которым относят процессор, оперативное запоминающее устройство, внешние запоминающие устройства и периферийные устройства.

Основным принципом построения всех современных ПК является программное управление.

Классическая архитектура фон Неймана

В $1946$ году американские математики Джон фон Нейман , Герман Голдштейн и Артур Бёркс в совместной статье изложили новые принципы построения и функционирования ЭВМ. На основе этих принципов производилось $1$-е и $2$-е поколение компьютеров. В следующих поколениях происходили некоторые изменения, но принципы фон Неймана (как они были названы) сохранялись.

Основные принципы фон Неймана:

Использование двоичной системы счисления в ПК , в которой устройствам гораздо проще выполнять арифметико-логические операции, чем в десятичной.
Программное управление ПК . Работа ПК управляется программой, которая состоит из набора команд, выполняющихся последовательно одна за другой. Создание машины с хранимой в памяти программой положило начало программированию.
Данные и программы хранятся в памяти ПК . Команды и данные кодируются одинаково в двоичной системе.
Ячейки памяти ПК имеют последовательно пронумерованные адреса. Возможность обращения к любой ячейке памяти по ее адресу позволила использовать переменные в программировании.
Возможность условного перехода при выполнении программы. Команды в ПК выполняются последовательно, но при необходимости можно реализовать переход к любой части кода.

Фон Нейманом также была предложена структура ПК (рис. 1).

Рисунок 1. Структура ПК

В состав машины фон Неймана входили:

запоминающее устройство (ЗУ);
арифметико-логическое устройство (АЛУ), которое выполняло все арифметические и логические операции;
устройство управления (УУ), которое координирует действия всех узлов машины в соответствии с программой;
устройства ввода-вывода.

В УУ содержится специальный регистр (ячейка) – счетчик команд , в который записывается адрес первой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое соответствующей ячейки памяти 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.

Архитектура современных ПК

В основу архитектуры современных ПК заложен магистрально-модульный принцип . ПК состоит из отдельных частей – модулей, которые являются относительно самостоятельными устройствами ПК (напрмер, процессор, оперативная память, контроллер, дисплей, принтер, сканер и т.д.).

Модульный принцип позволяет пользователю самостоятельно комплектовать необходимую конфигурацию ПК и производить при необходимости его обновление. Модульная организация системы опирается на магистральный принцип обмена информацией. Для работы ПК как единого механизма необходимо осуществлять обмен данными между различными устройствами, за что отвечает системная (магистральная) шина , которая выполняется в виде печатного мостика на материнской плате.

Подобная архитектура характеризуется ее открытостью – возможностью включения в ПК дополнительных устройств (системных и периферийных), а также возможностью простого встраивания программ пользователя на любом уровне программного обеспечения ПК.

Замечание 1

Также совершенствование архитектуры ПК связано с максимальным ускорением обмена информацией с системной памятью. Именно из системной памяти, в которой хранятся данные, ПК считывает все исполняемые команды. Таким образом больше всего обращений центральный процессор совершает к памяти и ускорение обмена с памятью приведет к существенному ускорению работы всей системы в целом.

Таким образом, структура ПК из одношинной, которая применялась только в первых компьютерах, становится трехшинной .

Рисунок 2. Трехшинная структура ПК

Многопроцессорная архитектура ПК

Наличие в ПК нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и команд , т.е. одновременно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи.

Рисунок 3. Архитектура многопроцессорного ПК

Многомашинная вычислительная система

В архитектуре многомашинной вычислительной системы каждый процессор имеет свою оперативную память. Применение многомашинной вычислительной системы эффективно при решении задач, которые имеют очень специальную структуру, которая должна состоять из такого количества ПК, на сколько слабо связанных подзадач разбита система.

Архитектура с параллельными процессорами

Рисунок 4. Архитектура с параллельным процессором