Архитектура современного ПК

Содержание  
1. Введение  
2. Архитектура современного ПК  
3. Заключение  
4. Практическая часть  
5. Список использованной литературы  
 
Введение  
Создание персонального компьютера (ПК) можно отнести к одному из самых значительных изобретений 20 века. ПК существенно изменил роль и значение вычислительной техники в жизни человека.  
Компьютер (англ. computer — вычислитель) представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами. Определение «персональный» возникло потому, что человек получил возможность общаться с ЭВМ самостоятельно (персонально) без посредничества профессионала- программиста.  
 
Персональные компьютеры используются сейчас повсеместно. Их основное назначение- выполнение рутинной работы: поиск информации, составление типовых форм документации, фиксация результатов исследования, подготовка текстов разного рода от простейших документов до издательской верстки и пр. 
 
Мобильные java игры: спортивные, rpg, экшн, логические, симуляторы найдете на портале mobgames.info, а также много игры программы картинки, смешные новости, видеоролики, анимации на различные модели телефона. 
 
Общедоступность и универсальность персонального компьютера обеспечивается за счет наличия следующих характеристик:  
•«дружественность» интерфейса взаимодействия человека с компьютером, что позволяет работать на нем без специальной подготовки в компьютерной области;  
•малая стоимость; •небольшие габариты и отсутствие специальных требований к условиям окружающей среды; •открытость архитектуры;  
•большое количество программных средств для различных областей применения; •совместимость на программном и физическом уровне новых версий и моделей; •высокая надежность работы.  
Цель данной курсовой – изучение архитектуры современного персонального компьютера и ее функций. Основными задачами данной курсовой являются рассмотрение основных компонентов архитектуры современного ПК, их предназначения, функционирования во всей системе, их взаимосвязи и взаимодействия, обеспечивающих эффективную работу ПК.  
 
АРХИТЕКТУРА СОВРЕМЕННОГО ПК  
Структура ПК  
В основу построения большинства ЭВМ положены принципы, сформулированные в 1945 г. Джоном фон Нейманом:  
1. Принцип программного управления (программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определённой последовательности).  
2. Принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными).  
3. Принцип адресности (основная память структурно состоит из нумерованных ячеек).  
ЭВМ, построенные на этих принципах, имеют классическую архитектуру (архитектуру фон Неймана).  
Основное внимание при изучении архитектуры ПК уделяется структуре и функциональным возможностям машины.  
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. Названные функции ЭВМ реализуются с помощью аппаратных и программных средств.  
Любая компьютерная программа представляет собой последовательность отдельных команд. Команда – это описание операции, которую должен выполнить компьютер. Совокупность команд, выполняемых данным компьютером, называется системой команд этого компьютера.  
Компьютеры работают с очень высокой скоростью, составляющей миллионы - сотни миллионов операций в секунду.  
Структура компьютера – это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.  
Рис.1. Структурная организация ПК  
 
ОСНОВНЫЕ БЛОКИ ПК И ИХ ЗНАЧЕНИЕ  
Микропроцессор (МП).  
Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера. В состав микропроцессора входят:  
•Устройство управления (УУ) - формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), 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 (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор);  
•Микропроцессорная память (МПП) - служит для кратковременного характера, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. Регистры - быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие);  
•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. 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.  
•Внутримашинный системный интерфейс - система связи и сопряжения узлов и блоков ЭВМ между собой - представляет собой совокупность электрических линий связи (проводов), схем сопряжения с компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов. Существует два варианта организации внутримашинного интерфейса.  
1. Многосвязный интерфейс: каждый блок ПК связан с прочими блоками своими локальными проводами; интерфейс применяется, как правило,только в простейших бытовых.  
2.Односвязный интерфейс: все блоки ПК связаны друг с другом через общую или системную шину.  
В подавляющем большинстве современных ПК в качестве системного интерфейса используется системная шина.  
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), кодовую шину адреса (КША), кодовую шину инструкций (КШИ), шину питания.  
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).  
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.  
 
Интерфейс IDE.  
Термин IDE (Integrated Drive Electronics) означает, что контроллер управления жестким диском встроен в сам диск в виде платы. Жесткие диски и интерфейс IDE - это альтернатива профессиональному интерфейсу SCSI (Small Computer System Interface), но IDE обеспечивает достаточно высокую скорость работы и большой объем жестких дисков.  
Шина SMBus.  
Универсальная Последовательная Шина (Universal Serial Bus USB) – последовательный интерфейс. Она была разработана для мониторинга за состоянием компьютера (величина напряжений, температура и т.п.), а также для работы с внешними устройствами, такими, как принтеры, сканеры, мышки, клавиатуру, модемы т.п.  
Кэш-память.  
Кэш-память, находящаяся в самом ядре процессора (во всех современных процессорах) - это самая быстрая память, в которую помещается информация, которая необходима процессору.  
 
Рис.2. Иерархия памяти.  
Рисунок выше помогает представить принцип взаимодействия процессора, кэш-памяти, оперативной памяти и устройств хранения информации. Чем ближе к процессору, тем емкость памяти уменьшается, а скорость - увеличивается. Нормальное значение производительности компьютера зависит от хорошо спроектированной и реализованной архитектуры памяти, чтобы на других этапах передачи данных не возникало перегрузок и застоев в передаче данных. Кэш-память, размещенная в ядре процессора всегда гораздо быстрее и мощнее памяти, размещенной на материнской плате. Кроме того, кэш, размещенный в ядре процессора, работает одновременно и с данными, и с инструкциями для процессора. Такая архитектура была названа Гарвардской - «Harvard Architecture».  
Архитектура чипсета.  
В обеспечения лучшей работы процессора, его стабильности и надежности очень большую роль играет дизайн материнских плат. На рис. 3 схематически изображено устройство архитектуры любой материнской платы. Чипсет материнской платы состоит из двух компонентов (которые, как правило, представляют собой независимые чипсеты, связанные друг с другом). Называются эти компоненты Северный и Южный мост. Они означают расположение чипсета моста относительно шины PCI: Северный находится выше, а Южный - ниже. Эти названия дали чипсетам по выполняемыми ими функциями: они служат для связи различных шин и интерфейсов.  
 
Рис.3. Архитектура чипсета  
 
Северный Мост работает с самыми скоростными устройствами, поэтому сам должен работать очень быстро, обеспечивая быструю и надежную связь процессора, памяти, шины AGP и Южного Моста. Южный мост работает с медленными устройствами, такими как жесткие диски, шина USB, PCI, ISA и т.п.  
Подсистема Ввода/Вывода BIOS (Basic I/O System).  
BIOS - это низкоуровневое программное обеспечение, контролирующее физическую работу устройств на материнской плате. Процессор запрашивает код BIOS при загрузке, включая тестирование памяти и конфигурацию периферии. Изменяя настройки BIOS, пользователь может настроить работу системы так, как ему необходимо. Многие настройки в последних версиях BIOS меняют частоты работы памяти, системной шины и процессора.  
Основная память (ОП).  
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. Оперативная память - совокупность специальных электронных ячеек, каждая из которых может хранить конкретную 8-значную комбинацию из нулей и единиц - 1 байт (8 бит). Каждая такая ячейка имеет адрес (адрес байта) и содержимое (значение байта). Адрес нужен для обращения к содержимому ячейки, для записи и считывания информации. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) хранит информацию только во время работы компьютера. Емкость оперативной памяти современного компьютера 32-2048 Мбайт.  
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 (HDD) и гибких (HD) магнитных дисках.  
В состав внешней памяти компьютера входят:  
- накопители на жёстких магнитных дисках;  
- накопители на гибких магнитных дисках;  
- накопители на компакт-дисках;  
- накопители на магнито-оптических компакт-дисках;  
- накопители на магнитной ленте (стримеры) и др.  
Назначение этих накопителей - хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. В качестве устройств внешней памяти используются также запоминающие устройства на магнитной дискете, накопители на оптических дисках (CD-ROM-Compact Disk Read Only, DVD, Memory-компакт-диск с памятью, только читаемой) и др.  
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 классифицируются 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 дисплеи, реже принтеры, клавиатуру и устройства речевого ввода-вывода информации.  
Видеомонитор (дисплей) - устройство для отображения вводимой и выводимой из ПК информации.  
Устройства речевого ввода-вывода относятся к 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 преобразования цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через динамики или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру.  
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 - 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.  
К устройствам вывода информации относятся:  
Принтеры. Все печатающие устройства можно подразделить на последовательные, строчные и страничные. По используемой технологии печати различают матричные, струйные, лазерные принтеры. графопостроители (плоттеры) - для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель; плоттеры бывают векторные с вычерчиванием изображения с помощью пера и растровые: термографические, электростатические, струйные и лазерные. По конструкции плоттеры подразделяются на планшетные и барабанные.  
Устройства связи и телекоммуникации.  
Для связи с приборами и другими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи и т.п.) и для подключения ПК к каналам связи, к другим ЭВМ и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы, "стыки", мультиплексоры передачи данных, модемы).  
В частности 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.  
Многие из названных выше устройств относятся к условно выделенной группе - средствам мультимедиа.  
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.  
К средствам мультимедиа относятся устройства речевого ввода и вывода информации; широко распространенные уже сейчас сканеры (поскольку они позволяют автоматически вводить в компьютер печатные тексты и рисунки); высококачественные видео- (video-) и звуковые (sound-) платы, платы видеозахвата (videograbber), снимающие изображение с видеомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в ПК; высококачественные акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами.  
 
Функциональные устройства ПК  
Основными характеристиками ПК являются:  
1.Быстродействие, производительность, тактовая частота.  
Единицами измерения быстродействия служат:  
•МИПС (MIPC -Vega Instruction Per Second)- миллион операций над числами с фиксированной запятой (точкой):  
•МФЛОПС (MFLOPS- Mega Floating Operations Second)- миллион операций над числами с плавающей запятой (точкой);  
•КОПС (KOPS- Kilo Operations Per Second)-для низкопроизводительных ЭВМ - тысяча неких усредненных операций над числами;  
•ГФЛОПС (GFLOPS - Gigа Floating Operations Per Second) -миллиард операций в секунду над числами с плавающей запятой (точкой).  
Оценка производительности ЭВМ всегда приблизительная, ибо при этом ориентируются на некоторые усредненные или, наоборот, на конкретные виды операций. Реально при решении различных задач используются и различные наборы операций. Поэтому для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины. И так как каждая операция требует для своего выполнения вполне определенного количество тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции.  
2. Разрядность машины и кодовых шин интерфейса. Разрядность-это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК.  
3. Типы системного и локальных интерфейсов. Разные типы интерфейсов обеспечивают разные сроки передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды.  
4. Емкость оперативной памяти. Емкость оперативной памяти измеряется чаще всего в мегабайтах (Мбайт). Напоминаем: 1 Мбайт = 1024 Кбайта = 1024 байт. Многие современные прикладные программы при оперативной памяти емкостью меньше 32 Мбайл просто не работают, либо работают, но очень медленно. Следует иметь в виду, что увеличение емкости основной памяти в два раза, помимо всего прочего, дает повышение эффективной производительности ЭВМ при решении сложных задач примерно в 1,7 раза.  
5. Емкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера). Емкость винчестера измеряется обычно в мегабайтах или гигабайтах (1 Гбайт = 1024 Мбайта).  
6. Тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках и лазерных компакт дисков. Сейчас применяются накопители на гибких магнитных дисках, использующие дискеты размером 3,5 и 5,25 дюйма (практически уже не применяются) (1 дюйм = 25,4 мм). Первые имеют стандартную емкость 1,44 Мбайта, вторые 1,2 Мбайта. Также применяются накопители на компакт дисках в связи с их низкой стоимостью и большой емкостью, размером 650 и 700 Мb, применяются лазерные перезаписываемые диски CD-RW емкостью 650 – 700 Mb. Применяются и такой тип накопителя как DVD. Высокие технологии и высокая стоимость, но и большая емкость до 24 Gb.  
7. Виды и емкость КЭШ-памяти. КЭШ-память - это буферная, недоступная для пользователей быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Например, для ускорения операций с основной памятью организуется регистровая КЭШ-память внутри микропроцессора (КЭШ-память первого уровня) или вне микропроцессора на материнской плате (КЭШ-память второго уровня); для ускорения операций с дисковой памятью организуется КЭШ-память на ячейка электронной памяти.  
Следует иметь в виду, что наличие КЭШ-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность ПК примерно на 20%. Встречается емкость КЭШ-памяти и 512 Кбайт.  
8. Тип видеомонитора (дисплея) и видеоадаптера.  
9. Тип принтера.  
10. Наличие математического сопроцессора. Математический сопроцессор позволяет в десятки раз ускорить выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами.  
11. Имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы.  
12. Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ.  
Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ означает возможность использования на компьютере соответственно тех же технических элементов и программного обеспечения, что и на других типах машин.  
13. Возможность работы в вычислительной сети.  
14. Возможность работы в многозадачном режиме. Многозадачный режим позволяет выполнять вычисления одновременно по нескольким программам (многопрограммный режим) или для нескольких пользователей (многопользовательский режим). Совмещение во времени работы нескольких устройств машины, возможное в таком режиме, позволяет значительно увеличить эффективное быстродействие ЭВМ.  
15. Надежность. Надежность - это способность системы выполнять полностью и правильно все заданные ей функции. Надежность ПК измеряется обычно средним временем наработки на отказ.  
16.Стоимость.  
17. Габариты и масса.  
 
Заключение  
Активное развитие микроэлектроники, появление и постоянное совершенствование микроминиатюрных интегральных электронных элементов создали основу для развития и совершенствования персональных компьютеров. Производительность их взросла на три порядка, при этом, что очень важно цена практически не изменилась. ПК стал доступен массовому потребителю, и теперь в развитых странах мира компьютер имеется на большинстве рабочих мест и в большинстве семей.  
Сейчас ПК особенно популярны, т.к. они компактны, не требуют специальных условий эксплуатации, дешевы, благодаря дружественному интерфейсу с пользователем не требует специальной профессиональной подготовки при выполнении большей части работ. Все это обусловливается хорошо развитой и усовершенствованной архитектурой ПК, позволяющей активно, качественно, рационально и легко использовать ресурсы ЭВМ при информационно-вычислительных процессах. Так как в информационном обществе главным ресурсом является информация, именно на основе владения информацией о самых различных процессах и явлениях можно эффективно и оптимально строить любую деятельность. А эффективная работа компьютера обеспечивается взаимодействием всех его важнейших деталей и компонентов, образующих его архитектуру. Поэтому невозможно представить современные производственные процессы в мировом информационном сообществе без использования ПК с хорошо разработанной архитектурой.  
Процесс усовершенствования ПК продолжается, разрабатываются и испытываются новейшие технологии в получении, обработке, хранении и передаче информации, изменяются и развиваются структурные элементы ПК, его работа становится все более производительной и качественной, а использование все более простым и понятным. Все это усиливает роль ПК как главного компонента при решении сложнейших задач и делает его незаменимым предметом в современной информационной эпохе.  
Практическая часть  
 
Список использованной литературы  
1. Бикташев Р.А., Чернышев Н.И. «Вычислительные машины,комплексы, системы и сети» - П.: 2005.  
2. Косарев В.П., Еремин Л.В. «Экономическая информатика» - М.: Финансы и статистика, 2004.  
3. Косарев В.П., Королев А.Ю. «Экономическая информатика и вычислительная техника»- М.: Финансы и статистика, 2007.  
4. Губарев В.Г. «Программное обеспечение и операционные системы ПК» - М.: Феникс, 2002.  
5. Леонтьев В.П. «Новейшая энциклопедия персонального компьютера» - М.: ОЛМА-ПРЕСС, 2004.  
6. Еремин Е.А. «Популярные лекции об устройстве компьютера» - С-Пб.: «Питер», 2003.  
7. Макарова Н.В. «Информатика» - М.: Финансы и статистика, 1997.  
8. Вильховиченко С. «Современный компьютер: устройство, выбор, модернизация» - СПб.: «Питер», 2000.  
9. Журналы "HARD'n'SOFT" 2006-2007гг.