§8. Аппаратные средства компьютера. Структурная схема компьютера. Системная плата, системная шина, процессор. Виды и назначение памяти

8.1. Структурная схема компьютера

Прообразом первого компьютера принято считать аналитическую машину (пример 8.1), разработанную Чарльзом Бэббиджем в 1834 г. Бэббидж определил структурные элемен­ты современного компьютера: память, устройство для обработки данных (на­званное им «мельница») и устройства для ввода и вывода данных. По существу, аналитическая ма­шина является моделью умственной деятельности человека. Работая с ин­формацией, человек выполняет сле­дующие функции:

  • прием (т. е. ввод) информации;
  • запоминание (т. е. хранение) ин­формации;
  • мышление (т. е. обработка) ин­формации;
  • передача (т. е. вывод) информации.

Компьютер является универсаль­ным устройством для работы с дан­ными, поэтому он должен уметь вы­полнять аналогичные функции: ввод, обработку, хранение и вывод данных.

Под структурой компьютера понимают модель, которая определяет состав, порядок и принципы взаимодействия элементов компьютера.
Архитектура компьютера — общее описание его структуры и функций.

В понятие «архитектура компьютера» входят: устройство компьютера, физические, арифметические и логические принципы работы его блоков, состав и функции программного обеспечения.
В основу архитектуры современных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Структурная схема компьютера имеет следующий вид:

(Более подробная структура компьютера представлена в Приложении к главе 2, с. 114.)
В соответствии с магистрально-модульным принципом компьютер представляет собой набор блоков, взаимодействующих с общим каналом для обмена данными — системной шиной (магистралью). Каждый блок выполняет специализированные операции.
Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.
Основные принципы архитектуры компьютеров разработаны Д. фон Нейманом в 1945 г. Приведем их перечень:

  1. Использование двоичного кода.
  2. Программное управление.
  3. Хранение данных программ в памяти и одинаковое кодирование их в двоичном коде.
  4. Наличие у ячеек памяти компьютера последовательно пронумерованных адресов.
  5. Возможность условного перехода при выполнении программы. Команды выполняются последовательно, но при необходимости можно реализовать переход к любой части кода.

8.2. Системная плата, системная шина, процессор

Системная (материнская) плата является главной платой в системном блоке компьютера (пример 8.2). На ней располагаются основные компоненты компьютерной системы (процессор, оперативная память, системная шина и др.). Материнская плата обеспечивает связь важнейших компонентов персонального компьютера между собой.

На материнской плате имеются специальные разъемы для установки внутренних устройств компьютера.
Для подключения каждого устройства к материнской плате разработаны различные разъемы. В примере 8.2 номером «1» отмечен сокет — разъем для размещения процессора. Номер «2» указывает на разъемы для установки оперативной памяти. Разъемы для подключения внешних устройств отмечены номером «3». Номер «4» указывает на слоты — разъемы для вставки карт расширения. Карта расширения — специальная плата, которую устанавливают в слот расширения материнской платы с целью добавления компьютеру дополнительных функций. К платам
расширения относятся: видеокарта, звуковая карта, сетевая карта и др. При такой конструкции замена одних внешних устройств на другие сопровождается простой заменой карты расширения.

Системная шина выполняет роль информационной магистрали, связывающей все устройства компьютера друг с другом. Упрощенно системную шину можно представить как группу проводников и электрических (токопроводящих) линий на системной плате. К системной шине подсоединены все основные блоки компьютера.
Главной функцией системной шины является обеспечение взаимодействия между процессором и остальными компонентами компьютера. По системной шине осуществляется передача данных, адресов памяти и управляющих команд. Частота шины характеризует пропускную способность канала передачи данных.
Центральным устройством компьютера является процессор (пример 8.3). Он непосредственно выполняет операции по обработке данных (арифметические и логические) и управлению вычислительным процессом. Процессор осуществляет выборку машинных команд и данных из оперативной памяти, их выполнение и запись результатов обратно в оперативную память, управляет внешними устройствами. Процессор (микропроцессор) представляет собой микросхему, которая содержит устройство управления (УУ), арифметико-логическое устроство (АЛУ) и регистры общего назначения (РОН). Структурная схема процессора показана в примере 8.4.

Устройство управления вырабатывает управляющие сигналы для выполнения заданной команды микропроцессором и компьютером в целом. Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций обработки данных.
Регистры общего назначения — специальные ячейки сверхбыстрой памяти внутри процессора, к которым он может обращаться напрямую, используются при выполнении арифметических операций.
Процессоры являются энергоемкими устройствами и при работе сильно нагреваются, поэтому на них ставят специальные системы охлаждения (пример 8.5). Основными характеристиками процессора являются:

  • тактовая частота (показывает скорость работы процессора в герцах
    (ГГц), т. е. определяет количество рабочих операций в секунду);
  • разрядность (максимальное количество двоичных разрядов, над которым одновременно может производиться операция передачи и обработки данных);
  • размер кэш-памяти процессора (размер дополнительной высоко-
    скоростной памяти, которая хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти);
  • количество вычислительных ядер (каждое ядро представляет собой часть процессора, которая может обрабатывать отдельный поток данных).

8.3. Виды и назначение памяти Компьютерная память служит для хранения данных и бывает нескольких типов. Каждый тип памяти предназначен для выполнения различных задач.
Различают внутреннюю и внешнюю память (пример 8.6). К внутренней памяти относят:

  • оперативную память (оперативное запоминающее устройство — ОЗУ, англ. random access memory — RAM);
  • постоянную память (постоянное запоминающее устройство — ПЗУ, англ. read only memory — ROM);
  • кэш-память.

Внешнюю память разделяют по физическим принципам записи данных:
магнитные носители, оптические носители, флеш-память.
Оперативная память служит для хранения программ и данных, с которыми процессор работает в текущий момент (пример 8.7). Современные типы оперативной памяти не могут хранить данные после выключения питания компьютера — память энергозависимая. Объем оперативной памяти современных компьютеров составляет 4—64 Гбайт.
Постоянная память хранит программы автоматического тестирования устройств и загрузки ОС в оперативную память (пример 8.8). ПЗУ является энергонезависимой памятью, поскольку сохраняет информацию после отключения питания компьютера. В большинство микросхем ПЗУ
невозможно внести изменения. Имеет небольшой объем — от 384Кб до 8 Мб.
Кэш-память – быстродействующая память, которая позволяет увеличить скорость выполнения операций. Служит буфером между оперативной памятью и микропроцессором.
Внешняя память предназначена для длительного хранения информации, является энергонезависимой, имеет большие размеры (до нескольких Терабайт).
К магнитным носителям относится винчестер (накопитель на жестких магнитных дисках — НЖМД, англ. hard disk drive — HDD). Он представляет собой совокупность из нескольких дисков (пластин) с нанесенными магнитными слоями (пример 8.9). Диски располагаются на одной оси электродвигателя и находятся в специальном металлическом корпусе.
Большое распространение получили внешние винчестеры, использующие для подключения к компьютеру разъем USB. Многие из них объединяют традиционный жесткий диск с модулем флеш-памяти, что позволяет увеличить скорость его работы.
Данные на оптические носители записываются с помощью лазера. Наиболее известные типы оптических дисков — CD, DVD и Blu-ray (пример 8.10).
Флеш-память — полупроводниковая память, построенная на основе интегральных микросхем (пример 8.11).
Флеш-память компактна и долговечна, имеет высокое быстродействие. Ее используют в цифровых фото и видеокамерах, мобильных телефонах и т. д.
Во многих современных компьютерах устанавливают твердотельные накопители SSD (Solid State Drive), которые зарекомендовали себя как более надежные и быстрые альтернативы HDD. Внутреннее устройство SSD представляет из себя набор микросхем флеш-памяти, размещенных на одной плате (пример 8.12).
Внешняя память предназначена для длительного хранения программ и данных, и целостность ее содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер. В отличие от оперативной памяти она не имеет прямой связи с процессором. Данные
от внешних устройств (ВУ) к процессору и обратно передаются через оперативную память (пример 8.13).

Вместо того чтобы все помнить, человек начал делать пометки: сначала это были наскальные рисунки, а с появлением письменности — книги. Таким образом, данные стали хранить на
внешних носителях информации.

Для передачи и получения информации использовались различные сигналы: зажженные костры, звуки гонга и др. В дальнейшем, с развитием науки, сигналы научились передавать с по
мощью радиоволн.

Обработка информации требовала вычислительных действий, что привело к появлению различных устройств для облегчения счета: от простейшего абака до современных компьютеров.

Пример 8.1. Аналитическая машина Бэббиджа.

Архитектура компьютера не включает в себя подробных описаний электронных схем. Эти сведения нужны  конструкторам, специалистам по наладке и ремонту компьютеров.Архитектура компьютера не включает в себя подробных описаний электронных схем. Эти сведения нужны
Современные компьютеры собраны в соответствии с принципом открытой архитектуры. Этот принцип позволяет собирать компьютеры, подбирая комплектующие в зависимости от заявленных критериев. Спецификации на создание устройств разрабатываются заинтересованными производителями совместно. Сборка или модернизация компьютера происходит из совместимых блоков, произведенных различными изготовителями.
Джон фон Нейман (1903—1957) — математик, сделавший важный вклад в информатику и другие науки. Наиболее известен как праотец современной архитектуры компьютеров (архитектура фон Неймана).

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

Пример 8.2. Материнская плата компьютера.

Номер «5» указывает на микросхему, хранящую BIOS — программное обеспечение для начальной загрузки компьютера. Номером «6» отмечена батарейка, необходимая для поддержания сохраненных настроек материнской платы.
Также на материнской плате находятся чипсеты (номер «7») — микросхемы, которые позволяют процессору обмениваться информацией с памятью и периферийными устройствами.
Современные системы включают два типа шин (архитектура DIB — Dual independent bus, двойная независимая шина):

  • первичная шина (FSB, frontside bus), связывающая процессор с оперативной памятью и оперативную память с периферийными устройствами;
  • вторичная шина (BSB, backside bus) для связи с кэш-памятью.

Использование двойной независимой шины повышает производительность процессора, поскольку в этом случае он может параллельно обращаться к различным уровням памяти.

Пример 8.3. Процессоры.

Пример 8.4. Структурная схема процессора (упрощенная).
Внутренняя шина микропроцессора осуществляет взаимосвязь между его составляющими. Узел формирования адреса — блок, отвечающий за формирование списка адресов для выбора следующих команд или данных.
Конструкция микропроцессора обеспечивает передачу адресов, данных, команд и управляющих сигналов. По системной шине в устройство управления вводится код команды. Затем сигнал дешифрируется и создается последовательность микрокоманд, которую исполняют блоки компьютера или процессор. При необходимости одновременно с этим формируется адрес для загрузки следующей команды или данных.
Частота работы всех современных процессоров в несколько раз превышает частоту системной шины, поэтому процессор работает так быстро, как ему это позволяет системная шина. Величину, на которую частота процессора превышает частоту системной шины, называют множителем.
Пример 8.5. Система охлаждения процессора.

Системы охлаждения также устанавливают на другие компоненты материнской платы: видеокарту, чипсет и др.
Первые многоядерные процессоры представляли собой самые простые схемы: два процессорных ядра, размещенных на одном кристалле без разделения каких-либо ресурсов, кроме шины памяти.
Сегодня существует два часто употребляемых термина для процессоров, имеющих несколько ядер: мультиядерный, или многоядерный (multi-core), и многопроцессорный (many-core).
Многоядерный процессор содержит несколько вычислительных ядер на одной интегральной схеме (процессорном кристалле). Термином многопроцессорный обозначают компьютеры, имеющие несколько физически раздельных процессоров, управляемых одним экземпляром операционной системы (ОС). Вычислительные ядра многоядерного процессора совместно используют В августе 2019 г. компания Cerebras представила самый большой в мире многоядерный суперпроцессор Cerebras Wafer Scale Engine. Он имеет более
1,2 трлн транзисторов и 400 000 ядер и занимает почти всю площадь полупроводниковой пластины диаметром 300 мм.

Пример 8.6. Виды компьютерной памяти.

Пример 8.7. Оперативная память.

Оперативная память является быстродействующей и позволяет обращаться к каждой ячейке памяти отдельно (прямой доступ к ячейке по адресу).

Пример 8.8. Постоянная память.

Важнейшая микросхема ПЗУ — модуль BIOS (от англ. basic input/output system — базовая система ввода/вывода).
На материнской плате также установлена CMOS (полупостоянная память) — память для хранения параметров конфигурации компьютера и текущего времени.

Кэш-память делится на три уровня:
L1, L2, L3. Каждый из уровней отличается по размеру памяти, скорости, выполняемым задачам. L1 (устанавливается на процессоре) — самый маленький (до 128 Кбайт) и быстрый, L2 (может размещаться на том же кристалле,
что и процессор, или быть отдельной микросхемой) — средний (от 256 кбайт до 12 Мбайт), L3 — самый большой (0—16 Мбайт) и медленный, устанавливается на серверах. К каждому уровню процессор обращается поочередно (от
меньшего к большему), пока не обнаружит в одном из них нужные данные.
Если ничего не найдено, то процессор обращается к оперативной памяти.

Пример 8.9. Винчестер

Пример 8.10. Оптические диски

Пример 8.11. Флеш-память

Технологию флеш-памяти используют следующие виды устройств:
• compactFlash (применяется в цифровых фотоаппаратах);
• microSD/miniSD (флеш-карта, используемая в мобильных телефонах);
• внешние накопители (флешки, подключаются к компьютерной технике с помощью USB-разъема).

Пример 8.12. Твердотельный SSD.

Пример 8.13. Схема передачи данных от внешних устройств к процессору имеет следующий вид:

1. Что понимают под структурой и архитектурой компьютера?
2. Какие принципы архитектуры компьютера сформулировал Д. фон Нейман?
3. Какие устройства входят в состав процессора?
4. Каково назначение системной шины?
5. На какие виды делится компьютерная память?

Упражнения

1. Подготовьте  в  режиме совместного  доступа  презентацию  на  одну  из тем.

  1. История носителей информации.
  2. Виды компьютерной памяти.
  3. Поколения ЭВМ.

2. Заполните  таблицу.  (Работать  с  таблицей  рекомендуется,  используя  облачные 
технологии.)Данные для таблицы можно получить, открыв свойства компьютера в программе Проводник: Определите тип и характеристики процессора, а также размер оперативной памяти, установленной на школьном и вашем домашнем (при его наличии) компьютерах.

Определите  объем  диска  C:  и  количество  свободной  памяти  на  нем,  используя свойства диска (команда свойства в контекстном меню диска C:).
3*. Откройте  сайт  (по  указанию  учителя)  с  виртуальным  тренажером  по  сборке  ПК и выполните задания.

 

Проверь себя

Выбор тем