Устройство персонального компьютера: системный блок и периферия

Для программы, состоящей из команд и находящейся в памяти возможны следующие альтернативные механизмы её исполнения:

1. Команда выполняется после того, как выполнена предшествующая ей команда последовательности. Этот метод соответствует механизму организации вычислительного процесса под управлением последовательностью команд (data flow computer) и характерному для вычислительных машин с классической фон-неймановской (и подобным ей) структурой. Такая модель вычислений называется традиционной.
2. Команда выполняется, когда становятся доступными её операнды. Этот механизм организации вычислительного процесса известен как управляемый данными (dataflow driven) и реализуется потоковыми вычислительными машинами. Данная модель вычислений называется потоковой.
3. Команда выполняется, когда другим командам требуется результат её выполнения. Этот метод организации вычислительного процесса называется механизмом управления по запросу (demand driven) и реализуется редукционными вычислительными машинами. Модель вычислений также называется редукционной.

На практике, в т.ч., и при автоматизации производства, эти вычислительные машины пока применяются крайне редко. В подавляющем большинстве современные вычислительные машины имеют традиционную структуру, базирующуюся на концепции Дж. фон Неймана (1903-1957, венгро- американский математик), выдвинутой им во второй половине 40-х годов 20 века. Поэтому далее будут рассматриваться вычислительные машины и системы, реализующие традиционную модель вычислений.

В соответствии с этой концепцией, определена автономно работающая вычислительная машина, содержащая устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), память и устройства ввода-вывода (УВВ), как показано на рисунке 1.:

Рис. 1. Структура вычислительной машины Дж. фон Неймана

Преобразование данных осуществляется последовательно под централизованным управлением от программы, состоящей из команд. Набор команд составляет машинный язык низкого уровня.

Принципы организации вычислительных машин:

1. Двоичное кодирование информации, разделение её на слова фиксированной разрядности.
2. Линейно-адресная организация памяти (N ячеек по n разрядов). Номер ячейки является её адресом. В командах программы адрес является именем переменной, хранящейся в соответствующей ячейке.
3. Представление алгоритма в виде программы, состоящей из команд. Каждая команда определяет шаг выполнения программы и содержит код операции, адреса операндов и другие служебные коды.
4. Хранение команд и данных в одной памяти.
5. Вычислительный процесс организуется как последовательное выполнение команд в порядке, заданном программой.
6. Жёсткость архитектуры – неизменность в процессе работы вычислительной машины, её структуры, списка команд, методов кодирования данных.

При работе вычислительных машин наиболее интенсивное взаимодействие осуществляется между АЛУ и УУ. С развитием элементной базы эти устройства объединили в один блок и наз вали процессором. Процессор считывает и выполняет команды программы, организует об ращение к памяти, инициирует работу УВВ. Выборка команды из памяти и её выполнение циклически повторяются. Цикл включает следующие фазы: выборку, дешифрацию, исполнение.

Устройство ввода преобразует входные сигналы к виду, принятому в вычислительной машине. Устройство вывода преобразует выходные сигналы в форму, удобную для восприятия человеком (тексты, графические образы и т.д.).

Преимущество фон-неймановской структуры вычислительных машин заключается в возможности улучшения характеристик вычислительных машин за счет улучшения структуры и параметров отдельных связей между её компонентами (Рисунок 1). Однако до сегодняшнего момента «узким местом» этой структуры является канал передачи данных между процессором и памятью.

В настоящее время наряду с классической фон-неймановской структурой вычислительных машин применяется способ построения вычислительных машин на основе общей шины. В этом случае все устройства вычислительной машины подключены к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных, управления, как показано на рисунке 2.

Шинная архитектура получила широкое распространение в мини – и микро-ЭВМ благодаря упрощённой реализации и лёгкой замене компонентов.

Рис. 2. Структура вычислительной машины на основе общей шины

В каждый момент времени передавать информацию по шине может только одно устройство, что является основным недостатком данного способа построения вычислительных машин.

Конструктивные принципы построения вычислительных машин определяют способы конструктивного исполнения её устройств, организации пространственных механических и электрических связей между устройствами и узлами. Наиболее значимым является принцип «открытой» архитектуры, согласно которому вычислительная машина рассматривается как гибкая, легко расширяемая модульная система, способная к адаптации и совершенствованию.

Рассмотрим конструктивные принципы построения вычислительных машин на примере наиболее распространённого класса настольных моделей персональных компьютеров (ПК). ПК содержит следующие типы связанных в систему конструктивно обособленных устройств: системный блок, монитор, клавиатуру, мышь, принтер.

Системный блок одержит все основные электронные схемы, обеспечивающие запись, хранение и обработку данных, а также жёсткий диск (HDD), дисковод для гибких магнитных дисков (FDD), привод CD (DVD), блок питания. Основным узлом системного блока является материнская плата, на которой расположены процессор, оперативная память, вспомогательные схемы, разъёмы для плат расширения (модемов, сетевых карт, видеокарт, звуковых карт и др.).

Относительно вычислительных систем также можно выделить два способа их организации: вычислительные системы с общей памятью и распределённые вычислительные системы.

В соответствии с первым способом, в вычислительной системе имеется общая основная память, совместно используемая всеми процессорами системы, что иллюстрирует рисунок 3.

Рис. 3. Структура вычислительной системы с общей памятью

Взаимосвязь процессоров с общей памятью обеспечивается с помощью коммуникационной сети, чаще всего представляющей собой общую шину. Таким образом, структура вычислительной системы с общей памятью аналогична рассмотренной выше структуре вычислительной машины с общей шиной. Вследствие этого ей присущи те же недостатки. Дополнительное достоинство таких вычислительных систем заключается в том, что обмен информацией между процессорами обеспечивается только за счёт доступа к общим областям памяти.

Магистраль – устройство, которое осуществляет взаимосвязь и обмен информацией между всеми устройствами компьютера. Магистраль включает в себя три многоразрядные шины, представляющие собой многопроводные линии:

• шину данных;
• шину адреса;
• шину управления.

По одной группе проводников – шине данных передаётся обрабатываемая информация, по другой – шине адреса – адреса памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор. Третья часть магистрали – шина управления, по ней передаются управляющие сигналы (например, сигнал готовности устройства к работе, сигнал к началу работы устройства и др).

Системная шина характеризуется тактовой частотой и разрядностью. Количество одновременно передаваемых по шине бит называется разрядностью шины.

Тактовая частота характеризует число элементарных операций по передаче данных в 1 секунду. Разрядность шины измеряется в битах, тактовая частота – в мегагерцах.

Всякая информация, передаваемая от процессора к другим устройствам по шине данных, сопровождается адресом, передаваемым по адресной шине. Это может быть адрес ячейки памяти или адрес периферийного устройства. Необходимо, чтобы разрядность шины позволила передать адрес ячейки памяти. Таким образом, разрядность шины ограничивает объем оперативной памяти ЭВМ, он не может быть больше чем , где n – разрядность шины. Важно, чтобы производительности всех подсоединённых к шине устройств были согласованы. Неразумно иметь быстрый процессор и медленную память или быстрый процессор и память, но медленный винчестер.

В варианте с общей шиной все устройства вычислительной машины подключены к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных и управления. Наличие общей шины существенно упрощает реализацию ВМ, позволяет легко менять состав и конфигурацию машины. Вместе с тем, именно с шиной связан и основной недостаток архитектуры: в каждый момент передавать информацию по шине может только одно устройство. Основную нагрузку на шину создают обмены между процессором и памятью, связанные с извлечением из памяти команд и данных и записью в память результатов вычислений. На операции ввода/вывода остается лишь часть пропускной способности шины.

Рис. 4. МП – микропроцессор; ПП – постоянная память; ОП – оперативная память: ВК – видеоконтроллер; ПИ – последовательный интерфейс; И – интерфейсы других внешних устройств; К – контроллер; ЗК – звуковой контроллер: ИП – параллельный интерфейс; СА – сетевой адаптер; НГМД – накопитель на гибких магнитных дисках; НЖМД – накопитель на жестких магнитных дисках; НОД – накопитель на оптических дисках; НМЛ – накопитель на магнитной ленте; ПУ – печатающее устройство; БП – блок питания и УО – устройства охлаждения

В современных ЭВМ реализован принцип открытой архитектуры, позволяющий пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости её модернизацию.

Конфигурацией компьютера называют фактический набор компонентов ЭВМ, которые составляют компьютер. Принцип открытой архитектуры позволяет менять состав устройств ЭВМ. К информационной магистрали могут подключаться дополнительные периферийные устройства, одни модели устройств могут заменяться на другие.

Аппаратное подключение периферийного устройства к магистрали на физическом уровне осуществляется через специальный блок – контроллер (другие названия – адаптер, плата, карта). Для установки контроллеров на материнской плате имеются специальные разъёмы – слоты.

Программное управление работой периферийного устройства производится через программу – драйвер, которая является компонентой операционной системы. Так как существует огромное количество разнообразных устройств, которые могут быть установлены в компьютер, то обычно к каждому устройству поставляется драйвер, взаимодействующий непосредственно с этим устройством.

Связь компьютера с внешними устройствами осуществляется через порты – специальные разъёмы на задней панели компьютера. Различают последовательные и параллельные порты. Последовательные (COM–порты) служат для подключения манипуляторов, модема и передают небольшие объёмы информации на большие расстояния. Параллельные (LPT-порты) служат для подключения принтеров, сканеров и передают большие объёмы информации на небольшие расстояния. В последнее время широкое распространение получили последовательные универсальные порты (USB), к которым можно подключать различные устройства.

В распределённой вычислительной системе каждый процессор обладает собственной локальной памятью, как показано на рисунке 5. Обмен информацией между компонентами вычислительной системы обеспечивается с помощью коммуникационной сети посредством обмена сообщениями. Подобная организация вычислительной системы снимает ограничения, свойственные общей шине, но приводит к дополнительным издержкам на передачу сообщений между процессорами.

Рис. 5. Структура распределённой вычислительной системы

Для уменьшения недостатков традиционной структуры вычислительных машин и систем, применяются различные её модификации, в частности, физическое разделение памяти на память команд и память данных. Более подробно такая структура вычислительных машин будет представлена в лекции, посвященной процессорам и оперативной памяти.

Далее рассмотрим характеристики вычислительных машин и систем.

Основными показателями, влияющими на архитектуру вычислительных машин и систем, являются стоимость и производительность.

Стоимость определяет часть цены, которую, в свою очередь, можно рассчитать по формуле 1:

. (1)

Главная надбавка учитывает стоимость научно- исследовательских работ, маркетинга, прибыль.

При установившемся производстве вычислительных машин и стабильной экономике относительные доли приведённых составляющих цены достаточно устойчивы, но отличаются для разных классов вычислительных машин /1/. Например, для ПК доля стоимости элементов составляет 31%, стоимости изготовления – 10%, главной надбавки – 14%, неучтённых расходов – 45%.

Зная стоимость комплектующих элементов на текущий момент времени и относительные доли составляющих цены, можно оценить стоимость вычислительной машины (системы).

Производительность – это объём вычислительной работы, выполняемой вычислительной машиной (системой) за единицу времени. Для количественных оценок производительности используют понятия номинальной и системной производительности.

Номинальная производительность – это вектор Vн (Формула 2):

, (2)

где

Vi – быстродействие i-го устройства вычислительной машины (системы) – чаще всего процессора и дисковой памяти.

Для характеристики степени использования потенциальных возможностей устройства в составе системы используется показатель загрузки i-го устройства i (Формула 3):

, (3)

где

Ti – время, в течение которого работало i-ое устройство за время T

работы системы.

Системная производительность Vc учитывает совместную работу устройств в системе под управлением операционной системы для определённого класса задач (Формула 4):

. (4)

Получение достоверных оценок показателей pi весьма затруднительно, поэтому показатель системной производительности используется редко.

Чаще всего показатель производительности требуется как средство для качественного сопоставления производительности различных типов вычислительных машин (систем) и выбора наиболее быстродействующей.

Ещё одной характеристикой вычислительной машины (системы), тесно связанной с производительностью, является быстродействие, определяемое как число операций, выполняемых в секунду. Поскольку разные команды выполняются с различной скоростью и вероятности использования каждой команды для разных классов задач различны, то говорят о среднем быстродействии вычислительной машины (системы) для каждого класса задач, которое вычисляется по формуле 5:

, (5)

где

P – среднее быстродействие;

bj – все команды j-го типа;

tj – среднее время выполнения;

N – число команд для разных классов задач.

Также к основным характеристикам вычислительных машин и систем можно отнести операционные ресурсы и ёмкость памяти.

Операционные ресурсы – это перечень действий (операций), которые может выполнять вычислительная машина (система) при обработке информации (исходных данных):

1. система машинных операций:

   

2. система машинных команд:

   

   порождающая указанную выше систему машинных операций;

3. способы представления информации в вычислительной машине (системе).

Чем шире операционные ресурсы вычислительной машины (системы), тем шире её возможности в плане обработки информации.

Ёмкость памяти – объём хранилища программ и данных вычислительной машины (системы). Единицы измерения – бит, байт

, килобайт	, мегабайт	, гигабайт		,
терабайт длина адреса).	. Ёмкость памяти	обычно кратна 2 (	, где	–

Дополнительные характеристики вычислительных машин (систем):

1. Надёжность – способность вычислительной машины (системы) при определённых условиях выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени (стандарт ISO 2382/ 14 – 78).
2. Точность – возможность различать почти равные значения (стандарт ISO 2382/ 2 – 76). Точность полученных результатов определяется, в основном, разрядностью вычислительной машины (системы) и величиной единицы информации (байтом, словом и т.д.).
3. Достоверность – свойство информации быть правильно воспринятой. Она характеризуется вероятностью получения безошибочных результатов.

По указанным признакам, а также по ряду других (например, по областям применения, поколениям) вычислительные машины и системы можно разбить на различные группы, с чем подробно можно ознакомиться в приведённых литературных источниках.

Перейдём к рассмотрению организации вычислительных процессов в вычислительных машинах и системах.

Для описания, проектирования и организации управления в вычислительных системах используется иерархический подход. Уровни организации вычислительных процессов в вычислительных машинах и системах, категории специалистов и процессы, реализующие взаимодействие уровней, представлены на рисунке 6.

Рис. 6. Уровни организации вычислительных процессов

На концептуальном уровне пользователь анализирует задачу, выбирает метод её решения, разрабатывает алгоритм, определяет структуры данных. Затем пишется программа на одном из языков высокого уровня, которая не зависит от архитектуры вычислительной системы и особенностей аппаратного обеспечения. На уровне машинных команд обеспечивается связь программных и аппаратных средств: разрабатывается список команд, определяются способы кодирования операций и адресов, а также другие параметры, заложенные в структуру вычислительной машины. Связь между языками высокого уровня и машинными командами может осуществляться как методом компиляции, так и методом интерпретации. На уровне регистровых передач осуществляется микрооперации, выполняемые аппаратурой вычислительной машины. Это операции передач, запоминания и преобразования кодов, выполняемые пересылкой сигналов между регистрами через логические схемы. Для построения схем на выполнение требуемой микрооперации формируется набор управляющих сигналов – микрокоманда. Последовательность микрокоманд, соответствующая исполнению машинной команды, называется микропрограммой. На уровне логических вентилей, рассматриваются логические схемы, которые выполняют операции над двоичными переменными.

В управлении вычислительным процессом с иерархической организацией участвуют как программные, так и аппаратные средства. По мере развития архитектуры вычислительных машин и технологий их изготовления грань разделения функций, реализуемых аппаратно и программно, смещается в сторону аппаратной реализации.

Самые сложные преобразования информации, выполняемые вычислительной машиной (системой), в конечном счёте, сводятся к простейшим операциям над логическими переменными «0» и «1». Поэтому дальнейшее изучение состава и функционирования вычислительных машин и систем целесообразно начать с изучения простейших логических элементов и цифровых устройств, постепенно переходя к более сложным функциональным и конструктивным узлам (элементам):

• • процессору;
  • памяти;
  • устройствам ввода – вывода.

На основе этих принципов построены все современные компьютеры. Любой персональный компьютер состоит из системного блока, устройства вывода графической информации – монитора, устройств ввода информации – компьютерной мыши, клавиатуры и различных соединительных кабелей.

Системный блок – основной узел, внутри которого расположены основные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называются внутренними. Устройства, подключенные к системному блоку снаружи, называют внешними (периферийными).

Типовые внутренние устройства системного блока.

К внутренним устройствам системного блока относятся:

• • материнская плата;
  • центральный процессор;
  • оперативное запоминающее устройство;
  • видеокарта;
  • жесткий диск;
  • дисковод компакт-дисков CD-ROM, CD-RW, DVD-ROM;
  • дисковод гибких дисков;
  • звуковая карта.

Корпус ПК – как правило, металлическая коробка, в которой размещены внутренние устройства (детали) компьютера.

Как правило, в комплектацию корпуса входит:

• блок питания (собственная вентиляция, доп. разъем для подключения питания, кнопка отключения питания);
• панель управления (дополнительные разъёмы для подключения микрофона, наушников, USB и IEEЕ 1394);
• отсеки «5,25» и «3,5»;
• динамик;
• система охлаждения;
• дополнительные разъёмы для подключения микрофона, наушников, USB и IEEЕ 1394.

Перенесите себе в тетрадь схему системного блока компьютера.

Схема системного блока.

Рис. 7. Далее подробнее разберем структуру персонального компьютера

Структура персонального компьютера.

1. Блок питания.
2. Материнская плата (Motherboard) – называется еще главной платой (Mainboard) или системной.
3. CPU (Central Processing Unit) – центральный процессор.
4. Винчестер или накопитель на жёстком магнитном диске, обозначенный в документации как HDD (Hard Disk Drive) или твердотельный накопитель (англ. Solid – state drive, SSD) — компьютерное немеханическое запоминающее устройство на основе микросхем памяти.
5. Дисковод — для гибких магнитных дисков, FDD (Floppy Disk Drive).
6. RAM (Random Access Memory) — оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
7. ROM (Read Only Memory) — постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).
8. Графический контроллер — устройство, выполняющее графические операции и обработку видеоданных; акселератор — процессор, ускоряющий обработку видео изображений.
9. Элементы электрических соединений узлов и блоков переходные контакты, плоские кабели и монтажные провода.
10. Корпус (case) — защищает компоненты PC от внешнего воздействия и содержит блок питания.
11. Устройства ввода — клавиатура, мышь, трэкболл, джойстик, геймпад, тачпад, сканер, графический планшет, микрофон.
12. Устройства вывода — монитор, проектор, принтер, плоттер, аудиоколонки.
13. Мультимедиа компоненты — звуковая карта, CD-ROM, DVD-ROM, Blu-ray привод.
14. Устройства коммуникаций — модем, сетевая карта, сетевой коммутатор, маршрутизатор, беспроводная точка доступа.