Введение
3

1. Общая структура персонального компьютера
4

1.1. Основы архитектуры ЭВМ 4

1.2. Структура ПК
6

2. Характеристики основных модулей ПК
8

2.1. Материнская плата 8

2.2. Процессор 9

2.3. Память 11

2.4. Винчестер 12

2.6. Монитор 14

2.7. Манипуляторы 14

Заключение 15

Список использованной литературы 16

Введение

Современные компьютеры массового применения – персональные компьютеры имеют достаточно сложную структуру, которая определяет взаимосвязь между аппаратными средствами в технической системе, называемой компьютером. В процессе эволюции аппаратных и программных средств изменялась и структура персонального компьютера, однако без изменений остались пока основные принципы его структурной организации, сформулированные выдающимся математиком, профессором Принстонского университета США Джоном фон Нейманом (1903–1957) и его коллегами в 1946 г.

Сущность этих принципов сводится к следующему:

Информация представляется (кодируется) и обрабатывается (выполняются вычислительные и логические операции) в двоичной системе счисления, информация разбивается на отдельные машинные слова, каждое из которых обрабатывается в компьютере как единое целое;

Машинные слова, представляющие данные (числа) и команды (определяют наименование задаваемых операций), различаются по способу использования, но не по способу кодирования;

Машинные слова размещаются и хранятся в ячейках памяти компьютера под своими номерами, называемыми адресами слов;

Последовательность команд (алгоритм) определяет наименование производимых операций и слова (операнды), над которыми производятся эти операции, при этом алгоритм, представленный в форме операторов машинных команд, называется программой;

Порядок выполнения команд однозначно задается программой.

1. Общая структура персонального компьютера

1.1. Основы архитектуры ЭВМ

Составные части, из которых состоит компьютер, называют модулями. Среди всех модулей выделяют основные модули, без которых работа компьютера невозможна, и остальные модули, которые используются для решения различных задач: ввода и вывода графической информации, подключения к компьютерной сети и т.д.

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 заданной 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 пронумерованных ячеек).

ЭВМ, построенные на этих принципах, имеют классическую архитектуру (рис.1).

Рис. 1. Классическая структура компьютера

где, АЛУ (арифметико-логическое устройство) – выполняет арифметические и логические операции над информацией, представленной в двоичном коде, т. е. обеспечивает выполнение процедур по обработке данных;

УУ (устройство управления) – организует процесс выполнения программ;

ЗУ (запоминающее устройство) – предназначено для размещения и хранения последовательности команд (программ) и данных;

УВВ (устройства ввода-вывода) – обеспечивают ввод и вывод данных из компьютера для установления прямой и обратной связи между пользователем и компьютером;

С помощью какого-либо устройства ввода в ЗУ вводится программа. УУ считывает содержимое ячейки памяти ЗУ, где находится первая команда, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических и логических операций над данными с помощью АЛУ, чтение из памяти данных для выполнения этих операций, вывод данных на устройство вывода и т. д. Затем выполняется вторая команда, третья и т. д. УУ выполняет инструкции программы автоматически.

1.2. Структура ПК

Рис. 2. Общая структура ПК

Персональные компьютеры обычно состоят из следующих основных модулей, представленных на рисунке 3.

Системный блок Монитор Клавиатура мышь
Рис. 3. Основные модули ПК

Рис. 4. Компьютер в компактном исполнении (notebook)
В системном блоке находятся все основные узлы компьютера:

материнская плата;

электронные схемы (процессор, контроллеры устройств и т.д.);

блок питания;

дисководы (накопители).

2. Характеристики основных модулей ПК

2.1. Материнская плата

Материнская (системная, главная) плата является центральной частью любого компьютера. На материнской плате размещаются в общем случае центральный процессор, сопроцессор, контроллеры, обеспечивающие связь центрального процессора с периферийными устройствами, оперативная память (RAM), кэш-память, элемент ROM-BIOS (базовой системы ввода/вывода), аккумуляторная батарея, кварцевый генератор тактовой частоты и слоты (разъемы) для подключения других устройств.

Рис. 6. Материнская плата

Общая производительность материнской платы определяется не только тактовой частотой , но и количеством (разрядностью ) данных , обрабатываемых в единицу времени центральным процессором, а также разрядностью шины обмена данных между различными устройствами материнской платы.

По функциональному назначению шины делятся на:

шину данных;

адресную шину;

шину управления.

По шине данных происходит обмен данными между центральным процессором, картами расширения и памятью. Разрядность шины данных варьируется от 8-ми битов (сейчас не используется) до 64-х битов в материнских платах современных PC.

По адресной шине происходит адресация ячеек памяти, в которые производится запись данных.

По шине управления или системной шине происходит передача управляющих сигналов между центральным процессором и периферией. На материнской плате системная шина заканчивается слотами для установки других устройств. Адресные шины и шины данных иногда занимают одни и те же физические проводники.

В настоящее время существует несколько стандартов шин: ISA (Industry Sland art Architecture), MCA (MicroChannel Architecture), EISA (Extended ISA), VESA (Video Electronics SlandarlAssollallon), PCI (Peripheral Component Interconnect), USB (Universal Serial BUS).

Архитектура материнских плат постоянно совершенствуется: увеличивается их функциональная насыщенность, повышается производительность. Стало стандартом наличие на материнской плате таких встроенных устройств, как двухканальный E-IDE-контроллер HDD (жёстких дисков), контроллер FDD (гибких (floppy) дисков), усовершенствованного параллельного (LPT) и последовательного (COM) портов, а также последовательного инфракрасного порта.

Порт – многоразрядный вход или выход в устройстве.

2.2. Процессор

В общем случае под процессором понимают устройство, производящее набор операций над данными, представленными в цифровой форме (двоичным кодом). Применительно к вычислительной технике под процессором понимают центральное процессорное устройство (CPU ), обладающее способностью выбирать, декодировать и выполнять команды а также передавать и принимать информацию от других устройств. Проще говоря, процессор – это электронная схема, выполняющая обработку информации.

Производство современных персональных компьютеров начались тогда, когда процессор был выполнен в виде отдельной микросхемы.

Количество фирм, разрабатывающих и производящих процессоры для IBM-совместимых компьютеров, невелико. В настоящее время известны: Intel, Cyrix, AMD, NexGen, Texas Instrument.

Кроме процессоров, которые составляют основу IBM-совместимых персональных компьютеров, существует целый класс процессоров, составляющих параллельную платформу. Среди самых известных: персональные компьютеры американской фирмы Apple, для которых используются процессоры типа Power PC, имеющие принципиально другую архитектуру; ПК выпускаемые фирмой Motorola и др. Производительность персональных компьютеров на основе процессоров Power PC значительно выше, чем у IBM-совместимых, поэтому, несмотря на значительную разницу в цене, для серьезных профессиональных приложений им отдают предпочтение.

Производительность CPU характеризуется следующими основными параметрами:

тактовой частотой;

степенью интеграции;

внутренней и внешней разрядностью обрабатываемых данных;

памятью, к которой может адресоваться CPU.

С бурным развитием мультимедиа приложений перед разработчиками процессоров возникли проблемы увеличения скорости обработки огромных массивов данных, содержащих графическую, звуковую или видео информацию. В результате возникли дополнительно устанавливаемые специальные процессоры DSP.

2.3. Память

Центральный процессор имеет доступ к данным, находящимся в оперативной памяти (физическое устройство памяти называется ОЗУ- оперативное запоминающее устройство или RAM – Random Access Memory). Работа компьютера с пользовательскими программами начинается после того как данные будут считаны из внешней памяти в ОЗУ.

ОЗУ работает синхронно с центральным процессором и имеет малое время доступа. Оперативная память сохраняет данные только при включенном питании. Отключение питания приводит к необратимой потере данных, поэтому пользователю, работающему с большими массивами данных в течение длительного времени, рекомендуют периодически сохранять промежуточные результаты на внешнем носителе.

По способу реализации оперативная память делится на динамическую и статическую.

Основными характеристиками ОЗУ являются: количество ячеек памяти (адреса) и время доступа к информации, определяемое интервалом времени, в течение которого информация записывается в память или считывается из нее.

Основой ОЗУ являются микросхемы памяти (chips ), которые объединяются в блоки (банки) различной конфигурации. При комплектации банков различными микросхемами необходимо следить, чтобы время доступа у них не различалось больше, чем на 10 нс.

Для нормального функционирования системы большое значение имеет согласование быстродействия центрального процессора и ОЗУ.

Рис.7. Оперативная память

Кэш-память предназначена для согласования скорости работы сравнительно медленных устройств, таких, например как динамическая память с быстрым микропроцессором. Использование кэш-памяти позволяет избежать циклов ожидания в его работе, которые снижают производительность всей системы.

С помощью кэш-памяти обычно делается попытка согласовать также работу внешних устройств, например, различных накопителей, и микропроцессора. Соответствующий контролер кэш-памяти должен заботиться о том, чтобы команды и данные, которые будут необходимы микропроцессору в определенный момент времени, именно к этому моменту оказывались в кэш-памяти.

2.4. Винчестер

Винчестеры или накопители на жестких дисках – это внешняя память большого объема, предназначенная для долговременного хранения информации, объединяющая в одном корпусе сам носитель информации и устройство записи/чтения. По сравнению с дисководами винчестеры обладают рядом очень ценных преимуществ: объем хранимых данных неизмеримо больше, время доступа у винчестера на порядок меньше. Единственный недостаток: они не предназначены для обмена информацией (это касается стационарных, т.е. встраиваемых в корпус компьютера винчестеров, в настоящее время существуют сменные винчестеры).

Физические размеры винчестеров стандартизированы параметром, который называют форм-фактором (form factor).

На рисунке 8 представлены различные жесткие диски:

Рис. 8. Винчестеры
2.5. Клавиатура

Рис. 9. Клавиатура

Она является основным устройством ввода информации в PC, несмотря на сильную конкуренцию со стороны мыши. Клавиатура преобразует механическое нажатие клавиши в так называемый скэн-код, который передается в контроллер клавиатуры на материнской плате.

Контроллер в свою очередь инициализирует аппаратное прерывание, которое обслуживается специальной программой, входящей в состав ROM-BIOS. При поступлении скэн-кода от клавиш сдвига (/) или переключателя (,) изменение статуса клавиатуры записывается в ОЗУ. Во всех остальных случаях скэн-код трансформируется в ASCII-коды или расширенные коды, которые уже обрабатываются прикладной программой.

По конструктивному исполнению различают следующие виды клавиатуры: клавиатуры с пластмассовыми штырями, клавиатуры со щелчком, клавиатуры на микропереключателях или герконах, сенсорные клавиатуры. Клавиатуры различаются также количеством и расположением клавиш. Различают клавиатуры типа СГ, AT, MFII.

В настоящее время существуют некоторые другие виды клавиатур: эргономические клавиатуры, промышленные, со считывающим устройством штрихового кода, для слепых, инфракрасные (беспроводные) и т.п.

2.6. Монитор

Мониторы являются важнейшими устройствами отображения информации. В настоящее время существует большое разнообразие типов мониторов: Цифровые мониторы (TTL), Аналоговые мониторы, Жидкокристаллические дисплеи (LCD) (рис. 10).

Рис. 10. Мониторы

2.7. Манипуляторы

К данным устройствам можно отнести мышь, джойстик, трекбол. Данные устройства управляют курсором и представлены на рисунке 11.

Рис. 11. Устройства управления курсором

Заключение

Таким образом, в системном блоке стационарного персонального компьютера размещаются основные компоненты, обеспечивающие выполнение компьютерных программ на аппаратном уровне.

Внешние устройства (по отношению к системному блоку) по функциональному назначению можно представить в виде нескольких групп: устройства ввода и вывода информации, устройства, выполняющие одновременно функции ввода и вывода информации, внешние запоминающие устройства.

К устройствам ввода информации относятся клавиатура, координатные устройства ввода (манипуляторы типа мышь, трекбол, контактная или сенсорная панель, джойстик), сканер, цифровые камеры (видеокамеры и фотоаппараты), микрофон.

К устройствам вывода информации относятся монитор, печатающие устройства (ПУ, принтер и графопостроитель), звуковые колонки и наушники.

К устройствам, выполняющим функции ввода и вывода информации относятся сетевой адаптер, модем (модулятор – демодулятор), звуковая плата.

К внешним запоминающим устройствам относятся: внешние накопители на гибких и жестких магнитных дисках, внешние накопители на оптических и магнитооптических дисках, накопители на основе флэш-памяти и т. д.

Список использованной литературы

1. Губарев В.Г. Программное обеспечение и операционные системы ПК. М.: Феникс, 2012. 382 с.

2. Фигурнов В. Э. IBM PC для пользователя, 6-е издание, переработанное и дополненное. M.: Инфра-М, 2006. 432с.

3. Уинн Л. Рош. Библия по модернизации персонального компьютера. М.: Тивали-Стиль, 2005. 378 с.

4. Леонтьев В.П. Новейшая энциклопедия персонального компьютера 2003. М.: ОЛМА-ПРЕСС, 2009. 957 с.

5. Ибрагим К.Ф. Устройство и настройка ПК: Перевод с английского. М.: Бином, 2010. 368 с.

6. Столлингс У. Структурная организация и архитектура компьютерных систем. М.: Вильямс, 2012. 896 с.

7. Леонтьев Б.К. Upgrade: Пособие по модернизации компонентов персонального компьютера. М.: Майор, 2013. 624 с.

8. Шумилин В.К. Пособие по безопасной работе на персональных компьютерах. М.: НЦ ЭНАС, 2011. 28 с.

9. Еремин Е.А. Популярные лекции об устройстве компьютера. БХВ-Петербург, 2013. 272 с.

Основная образовательная программа

Хозяйства России. Отраслевая структура , функциональная и территориальная структуры хозяйства страны, ... персональными компьютерами , и проекторами. Для директора и заместителей директора приобретены ноутбуки. Общая численность персональных компьютеров , ...

3. Лекция. Архитектура современных высокопроизводительных ЭВМ. Функциональная структура компьютера. Основные концепции функционирования. Программное обеспечение компьютера. Основы алгоритмизации.

1. 
   
   1. 
      Устройство ввода
   2. 
      Блок памяти
   3. 
      Арифметико-логическое устройство
   4. 
      Блок вывода
   5. 
      Блок управления
2. 
   Основные концепции функционирования
3. 
   Структура шины
4. 
   Программное обеспечение
   1. 
      Этапы подготовки и решения задач на ЭВМ
   2. 
      Алгоритмы и способы их описания

Функциональная структура компьютера

Как следует из рис. 3.1, компьютер состоит из пяти главных, функционально не­зависимых частей:

Устройство ввода,

Устройство памяти,

Арифметико-логическое устройство,

Устройство вывода и

Устройство управления.

Устройство ввода при­нимает через цифровые линии связи закодированную информацию от операто­ров, электромеханических устройств типа клавиатуры или от других компьюте­ров сети. Полученная информация либо сохраняется в памяти компьютера для последующего применения, либо немедленно используется арифметическими и логическими схемами для выполнения необходимых операций. Последователь­ность шагов обработки определяется хранящейся в памяти программой. Полу­ченные результаты отправляются обратно, во внешний мир, посредством устрой­ства вывода. Все эти действия координируются блоком управления. На рис. 3.1. намеренно не показаны связи между функциональными устройствами. Объясня­ется это тем, что такие связи могут быть по-разному реализованы. Как именно, вы поймете несколько позже. Арифметические и логические схемы в комплексе с главными управляющими схемами называют процессором, а все вместе взятое оборудование для ввода и вывода часто называют устройством ввода-вывода (input-output unit).

Теперь обратимся к обрабатываемой компьютером информации. Ее удобно разделять на две основные категории: команды и данные. Команды, или машин­ные команды, - это явно заданные инструкции, которые:

Управляют пересылкой информации внутри компьютера, а также между компьютером и его устройствами ввода-вывода;

Определяют подлежащие выполнению арифметические и логические операции.

Список команд, выполняющих некоторую задачу, называется программой. Обыч­но программы хранятся в памяти. Процессор по очереди извлекает команды про­граммы из памяти и реализует определяемые ими операции. Компьютер полно­стью управляется хранимой программой , если не считать возможность внешнего вмешательства оператора и подсоединенных к машине устройств ввода-вывода.

Данные - это числа и закодированные символы, используемые в качестве опе­рандов команд. Однако термин «данные» часто используется для обозначения любой цифровой информации. Согласно этому определению, сама программа (то есть список команд) также может считаться данными, если она обрабатывается другой программой. Примером обработки одной программой другой является компиляция исходной программы, написанной на языке высокого уровня, в список машинных команд, составляющих программу на машинном языке, которая назы­вается объектной программой. Исходная программа поступает на вход компиля­тора, который транслирует ее в программу на машинном языке.

Рис. 3.1. Базовые функциональные устройства компьютера

Информация, предназначенная для обработки компьютером, должна быть зако­дирована, чтобы иметь подходящий для компьютера формат. Современное аппа­ратное обеспечение в большинстве своем основано на цифровых схемах, у которых имеется только два устойчивых состояния, ON и OFF (см. лекцию 2). В ре­зультате кодирования любое число, символ или команда преобразуется в строку двоичных цифр, называемых битами, каждый из которых имеет одно из двух воз­можных значений: 0 или 1. Для представления чисел (как станет ясно из лекции 4) обычно используется позиционная двоичная нотация. Иногда применяется двоич­но-десятичный формат (Binary-Coded Decimal, BCD), в соответствии с которым каждая десятичная цифра кодируется отдельно, с помощью четырех бит.

Буквы и цифры также представляются посредством двоичных кодов. Для них разработано несколько разных схем кодирования. Наиболее распространенными считаются схемы ASCII (American Standard Code for Information Interchange - американский стандартный код для обмена информацией), где каждый символ представлен 7-битовым кодом, и EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Inter­change Code - расширенный двоично-десятичный код для обмена информаци­ей), в котором для кодирования символа используется 8 бит.

3.1.1. Устройство ввода

Компьютер принимает кодированную информацию через устройство ввода, зада­чей которого является чтение данных. Наиболее распространенным устройством ввода является клавиатура. Когда пользователь нажимает клавишу, соответст­вующая буква или цифра автоматически преобразуется в определенный двоич­ный код и по кабелю пересылается либо в память, либо процессору.

Существует и ряд других устройств ввода, среди которых джойстики, трекболы и мыши. Они используются совместно с дисплеем в качестве графических входных устройств. Для ввода звука могут использоваться микрофоны. Воспри­нимаемые ими звуковые колебания измеряются и конвертируются в цифровые коды для хранения и обработки.

3.1.2. Блок памяти

Задачей блока памяти является хранение программ и данных. Существует два класса запоминающих устройств, а именно первичные и вторичные. Первичное за­поминающее устройство (primary storage) - это память, быстродействие которой определяется скоростью работы электронных схем. Пока программа выполняет­ся, она должна храниться в первичной памяти. Эта память состоит из большого количества полупроводниковых ячеек, каждая из которых может хранить один бит информации. Ячейки редко считываются по отдельности - обычно они обра­батываются группами фиксированного размера, называемыми словами. Память организована так, что содержимое одного слова, содержащего n бит, может запи­сываться или считываться за одну базовую операцию.

Для облегчения доступа к словам в памяти с каждым словом связывается от­дельный адрес. Адреса - это числа, идентифицирующие конкретные местополо­жения слов в памяти. Для того чтобы прочитать слово из памяти или записать его в таковую, необходимо указать его адрес и задать управляющую команду, которая начнет соответствующую операцию.

Количество битов в каждом слове часто называют длиной машинного слова. Обычно слово имеет длину от 16 до 64 бит. Одним из факторов, характеризую­щих класс компьютера, является емкость его памяти. Малые машины обычно мо­гут хранить лишь несколько десятков миллионов слов, тогда как средние и боль­шие машины обычно способны хранить сотни миллионов и миллиарды слов. Типичными еди­ницами измерения количества обрабатываемых машиной данных являются слово, несколько слов или часть слова. Как правило, за время одного обращения к памя­ти считывается или записывается только одно слово.

Во время выполнения программа должна находиться в памяти. Команды и дан­ные должны записываться в память и считываться из памяти под управлением процессора. Исключительно важна возможность предельно быстрого доступа к лю­бому слову памяти. Память, к любой точке которой можно получить доступ за ко­роткое и фиксированное время, называется памятью с произвольным доступом (Random-Access Memory, RAM). Время, необходимое для доступа к одному слову, называется временем доступа к памяти. Это время всегда одинаково, независимо от того, где располагается нужное слово. Время доступа к памяти в современных устройствах RAM составляет от нескольких наносекунд до 100. Память компьюте­ра обычно представляет собой иерархическую структуру, состоящую из трех или четырех уровней полупроводниковых RAM-элементов с различной скоростью и разным размером. Наиболее быстродействующим типом RAM-памяти является кэш-память (или просто кэш). Она напрямую связана с процессором и часто нахо­дится на одном с ним интегрированном чипе, благодаря чему работа процессора значительно ускоряется. Память большей емкости, но менее быстрая, называется основной памятью (main memory). Далее в этой лекции процесс доступа к информа­ции в памяти описывается подробнее, а позднее мы детально рассмотрим прин­ципы ее функционирования и вопросы, связанные с производительностью.

Первичные запоминающие устройства являются исключительно важными компонентами для компьютера, но они довольно дороги. Поэтому компьютеры оборудуются дополнительными, более дешевыми вторичными запоминающими устройствами, используемыми для хранения больших объемов данных и боль­шого количества программ. В настоящее время таких устройств имеется доста­точно много. Но наиболее широкое распространение получили магнитные диски, магнитные ленты и оптические диски (CD-ROM).

3.1.3. Арифметико-логическое устройство

Большинство компьютерных операций выполняется в арифметико-логическом устройстве (АЛУ) процессора. Рассмотрим типичный пример. Предположим, нам нужно сложить два находящихся в памяти числа. Эти числа пересылаются в процессор, где АЛУ выполняет их сложение. Полученная сумма может быть за­писана в память или оставлена в процессоре для немедленного использования.

Любые другие арифметические или логические операции, в том числе умно­жение, деление и сравнение чисел, начинаются с пересылки этих чисел в процес­сор, где АЛУ должно выполнить соответствующую операцию. Когда операнды переносятся в процессор, они сохраняются в высокоскоростных элементах памя­ти, называемых регистрами. Каждый регистр может хранить одно слово данных. Время доступа к регистрам процессора даже меньше времени доступа к самой бы­строй кэш-памяти.

Управляющее и арифметико-логическое устройства работают во много раз бы­стрее, чем все остальные устройства, подключенные к компьютерной системе. Это позволяет одному процессору контролировать множество внешних устройств, та­ких как клавиатуры, дисплеи, магнитные и оптические диски, сенсоры и механи­ческие управляющие устройства.

3.1.4. Блок вывода

Функция блока вывода противоположна функции блока ввода: он направляет ре­зультаты обработки в так называемый внешний мир. Типичным примером устрой­ства вывода является принтер. Для печати в принтерах используются ударные ме­ханизмы, головки, выпрыскивающие струи чернил, или технологии фотокопирова­ния, как в лазерных принтерах. Существуют принтеры, способные печатать до 10 000 строк в минуту. Для механического устройства это огромная скорость, но по сравнению с быстродействием процессора она ничтожно мала.

Некоторые устройства, и в частности графические дисплеи, выполняют одно­временно и функцию вывода, и функцию ввода. Поэтому они называются устрой­ствами ввода-вывода.

3.1.5. Блок управления

Устройства памяти, арифметики и логики, ввода и вывода хранят и обрабатыва­ют информацию, а также выполняют операции ввода и вывода. Работу таких уст­ройств нужно как-то координировать. Именно этим и занимается блок управле­ния. Это, если можно так выразиться, нервный центр компьютера, передающий управляющие сигналы другим устройствам и отслеживающий их состояние.

Управление операциями ввода-вывода осуществляется командами программ, в которых идентифицируются соответствующие устройства ввода-вывода и пере­сылаемые данные. Однако реальные синхронизирующие сигналы (timing signals), управляющие пересылкой, генерируются управляющими схемами. Синхронизи­рующие сигналы - это сигналы, определяющие, когда должно быть выполнено данное действие. Кроме того, посредством синхронизирующих сигналов, генери­руемых блоком управления, осуществляется передача данных между процессором и памятью. Блок управления можно представить себе как отдельное устройство, взаимодействующее с другими частями машины. Но на практике так бывает ред­ко. Большая часть управляющих схем физически распределена по разным местам компьютера. Сигналы, используемые для синхронизации событий и действий всех устройств, передаются по множеству управляющих линий (проводов). В целом, функционирование компьютера можно описать следующим образом:

• 
  Компьютер с помощью блока ввода принимает информацию в виде про­грамм и данных и записывает ее в память.
• 
  Хранящаяся в памяти информация под управлением программы пересы­лается в арифметико-логическое устройство для дальнейшей обработки.
• 
  Данные, полученные в результате обработки информации, направляются на устройства вывода.
• 
  За все действия, производимые внутри машины, отвечает блок управления.

3.2. Основные концепции функционирования

Как было сказано в разделе 3.1, действиями компьютера управляют инструкции. Для выполнения конкретной задачи в память записывается соответствующая программа, состоящая из множества команд. Команды по очереди пересылаются из памяти в процессор, который их выполняет. Данные, используемые в качестве операндов команд, также хранятся в памяти. Вот пример типичной команды:

Эта команда складывает операнд, хранящийся в памяти по адресу LOCA, с операндом, хранящимся в регистре R0 процессора, и помещает результат в этот же регистр. Исходное содержимое памяти по адресу LOCA не меняется, а содер­жимое регистра R0 перезаписывается. Данная команда выполняется в несколько этапов. Сначала она пересылается из памяти в процессор. Затем операнд коман­ды считывается из памяти по адресу LOCA и складывается с содержимым регист­ра R0, после чего результирующая сумма записывается в регистр R0.

В описанной команде Add объединяются две операции: доступ к памяти и опе­рация АЛУ. Во многих современных компьютерах эти два типа операций выпол­няются с помощью отдельных команд. Такое разделение основывается на сообра­жениях производительности, о которых мы поговорим ниже. Приведенная выше команда может быть реализована и в виде двух команд:

1) Load R3,LOCA для Intel Architecture (IA-32): mov bx,loca

Add R0,R3 add ax,bx

Первая из этих команд копирует содержимое памяти по адресу LOCA в ре­гистр процессора R1, а вторая команда складывает содержимое регистров R1 и R0 и помещает сумму в регистр R0. Обратите внимание, что в результате выполне­ния двух команд исходное содержимое обоих регистров уничтожается, а содер­жимое памяти по адресу LOCA сохраняется.

Пересылка данных между памятью и процессором начинается с отправки в уст­ройство памяти адреса слова, к которому требуется получить доступ, и выдачи соответствующих управляющих сигналов. Затем данные пересылаются в память или из памяти.

На рис. 3.2 показано, как соединяются между собой память и процессор. Кро­ме того, рисунок иллюстрирует несколько важных особенностей функционирова­ния процессора, о которых мы с вами еще не говорили. На нем не показана реаль­ная схема соединений этих компонентов, поскольку пока мы обсуждаем только их функциональные характеристики. Более детально соединение компонентов описывается в разделе 8 при рассмотрении конструкции процессора.

Кроме АЛУ и управляющих схем процессор содержит множество регистров, предназначенных для разных целей. В регистре команды (Instruction Register, IR) содержится код выполняемой в данный момент команды. Ее результат доступен управляющим схемам, которые генерируют сигналы для управления различными элементами, участвующими в выполнении команды. Еще один специализирован­ный регистр, называемый счетчиком команд (Program Counter, PC), служит для контроля за ходом выполнения программы. В нем содержится адрес следующей команды, подлежащей выборке и выполнению. Пока выполняется очередная ко­манда, содержимое регистра PC обновляется - в него записывается адрес следую­щей команды. Говорят, что регистр PC указывает на команду, которая должна быть выбрана из памяти. Кроме регистров IR и PC на рис. 3.2 показано n регистров общего назначения, от R0 до R„-i. Для чего они нужны, объясняется в главе 2.

Наконец, еще два регистра обеспечивают взаимодействие с памятью. Это ре­гистр адреса (Memory Address Register, MAR) и регистр данных (Memory Data Register, MDR). В регистре MAR содержится адрес, по которому производится обращение к памяти, а в регистре MDR - данные, которые должны быть записа­ны в память или прочитаны из таковой по этому адресу.

Рассмотрим типичный процесс выполнения программы компьютером. Про­грамма располагается в памяти, куда обычно попадает через входное устройство. Ее выполнение начинается с записи в регистр PC адреса первой команды. Содер­жимое этого регистра пересылается в регистр MAR, а в память направляется управляющий сигнал Read. Когда истекает время, необходимое для доступа к па­мяти, адресуемое слово (в данном случае - первая команда программы) считыва­ется из памяти и загружается в регистр MDR. Затем содержимое регистра MDR пересылается в регистр IR. Команда готова к декодированию и выполнению.

Если команда требует, чтобы АЛУ выполнило определенную операцию, для нее необходимо получить операнды. Операнд, располагающийся в памяти (он может находиться и в регистре общего назначения), нужно сначала из таковой извлечь, переслав его адрес в регистр MAR и инициализировав цикл Read. После пересыл­ки из памяти в регистр MDR операнд будет направлен в АЛУ. Аналогичным обра­зом туда же будут переданы и остальные необходимые команде операнды, после чего АЛУ сможет выполнить требуемую операцию. Если результат должен быть сохранен в памяти, он будет записан в регистр MDR. Затем адрес, по которому его нужно записать в память, будет помещен в регистр MAR, после чего будет иниции­рован цикл Write. В какой-то момент в ходе выполнения текущей инструкции со­держимое регистра PC увеличивается, и он начинает указывать на следующую подлежащую выполнению инструкцию. Другими словами, как только завершится выполнение текущей инструкции, можно будет приступать к выборке следующей.

Рис. 3.2. Соединения между процессором и памятью

Компьютер не только пересылает данные между памятью и процессором, но и принимает их от входных устройств, а также отсылает выходным устройствам. Поэтому среди машинных команд имеются и команды для выполнения операций ввода-вывода.

Если возникает необходимость срочно обслужить некоторое устройство (на­пример, когда устройство мониторинга в автоматизированном промышленном процессе обнаружит опасную ситуацию), нормальное выполнение программы может быть прервано. Для того чтобы немедленно отреагировать на эту ситуа­цию, компьютер должен прервать выполнение текущей программы. С этой целью устройство генерирует сигнал прерывания. Прерывание (interrupt) - это запрос, поступающий от устройства ввода-вывода, с требованием предоставить ему про­цессорное время. Для обслуживания этого устройства процессор выполняет соот­ветствующую программу обработки прерывания. А поскольку ее выполнение мо­жет изменить внутреннее состояние процессора, перед обслуживанием прерыва­ния нужно сохранить его состояние в памяти. Обычно в ходе этой операции сохраняется содержимое регистра PC, регистров общего назначения и некоторая управляющая информация. По завершении работы программы обработки преры­вания состояние процессора восстанавливается и прерванная программа продол­жает свою работу. Процессор со всеми его элементами (рис. 3.2) обычно реализует­ся в виде одной микросхемы, на которой располагается как минимум одно устрой­ство кэш-памяти. Такие чипы называются VLSI (VLSI - аббревиатура от Very Large Scale Integration, что переводится как очень крупномасштабная интеграция).

Введение

Один из важнейших факторов научно-технического прогресса - широкая автоматизация и компьютеризация производства. Почти каждое предприятие или учреждение обслуживается вычислительным центром, оснащенным компьютерами.

В связи с этим очень важно сделать правильный выбор при покупке персонального компьютера (ПК). Обоснованный выбор ПК - одна из проблем всех пользователей компьютеров. Путей ее решения несколько:

привлечение независимых специалистов - экспертов;

использование собственных знаний, приобретенного опыта, интуиции;

учет сведений, приобретенных в литературе научного и рекламного характера.

Поэтому в качестве теоретической части данной курсовой работы выбрана весьма актуальная, на мой взгляд, тема «Функциональная и структурная организация компьютера».

Теоретическая часть данной работы состоит из следующих пунктов:

1. Введение; 2.Структурная организация ПК; 3.Функциональная организация ПК; 4.Заключение.

В практической части работы при оформлении отчета о реализации решения экономической задачи на ПК следует руководствоваться ниже приведенным планом: 1. Общая характеристика задачи; 2. Выбор пакета прикладных программ (ППП); 3. Проектирование форм выходных данных и графическое представление данных по выбранной задаче; 4. Результаты выполнения контрольного примера; 5. Инструкция пользователя.

Для выполнения и оформления работы использовались следующие ППП: Microsoft Word, Access, Excel.

Данная работа выполнена на ПК с микропроцессором AMD Athlon XP 1500+, объемом оперативной памяти DDR 512 Мбайт.

Теоретическая часть

Структурная организация ПК

Персональный компьютер содержит множество электронных элементов, которые объединяются в более крупные компоненты, - модули, узлы, цепи, схемы, блоки и так далее. Если из всего этого разнообразия электронных компонентов изъять хотя бы один, то вся информационно-вычислительная компьютерная система перестанет работать.

ПК представляет собой универсальную микропроцессорную систему, которая может применяться как в автономном режиме, так и в сетях и удовлетворяет требованиям универсальности применения.

Имеется большое количество моделей ПК. Их делят на 2 группы:

а) компьютеры IBM - совместимые;

б) компьютеры фирмы Apple .

Сердцем компьютера является микропроцессор (МП) - центральный блок компьютера, предназначенный для управления работой всех остальных блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над данными. МП представляет собой функционально законченное программно-управляемое устройство обработки информации. Он выполнен в виде одной или нескольких больших или сверхбольших интегральных схем. В состав МП входят:

устройство управления - управляет работой всех блоков машины;

арифметико-логическое устройство - выполняются все арифметические и логические операции над данными;

микропроцессорная память - предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, которая непосредственно применяется в вычислениях в ближайших тактах работы машины;

интерфейсная система микропроцессора - обеспечивает соединение и связь с другими устройствами компьютера. Интерфейс - совокупность средств соединения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие.

Поскольку массовое распространение в настоящее время получили персональные компьютеры, их функциональную и структурную организацию рассмотрим подробно.

Основные блоки ПК и их назначение

Структурная схема персонального компьютера представлена на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Структурная схема ПК

Микропроцессор

Микропроцессор(МП) - центральное устройство ПК, предназначенное для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

В состав микропроцессора входят несколько компонентов.

Ÿ 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 компьютера; опорную последовательность импульсов устройство управленияполучает от генератора тактовых импульсов.

Ÿ 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).

Ÿ Микропроцессорная память (МПП): предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации непосредственно используемой в ближайшие такты работы машины; МПП строится на регистрах для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память(ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Регистры - быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие).

Ÿ Интерфейсная система микропроцессора предназначена для сопряжения и связи с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейсМП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной.

Итак, интерфейс (interface) - совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие.

Порт вода-вывода (I/O port) - элементы системного интерфейса ПК, через которые МП обменивается информацией с другими устройствами.

Ÿ Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов, частота которых определяет тактовую частоту микропроцессора. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта или, просто, такт работы машины. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, поскольку каждая операция в вычислительной машине выполняется за определенное количество тактов.

Системная шина

Системная шина - основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина включает в себя:

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

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

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

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

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

Ÿ между микропроцессором и основной памятью;

Ÿ между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

Ÿ 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 контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему контроллерашины , формирующую основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.

Основная память

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).

Ÿ ПЗУ (ROM - Read Only Memory) предназначено для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации; позволяет оперативно только считывать информацию, хранящуюся в нем (изменить информацию в ПЗУ нельзя);

Ÿ ОЗУ (RAM - Random Access Memory) 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 оперативной памяти следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость).

Кроме основной памяти на системной плате ПК имеется и энергонезависимая памятьCMOS RAM (Complementary Metal-Oxide Semiconductor RAM), постоянно питающаяся от своего аккумулятора; в ней хранится информация об аппаратной конфигурации ПК (обо всей аппаратуре, имеющейся в компьютере), которая проверяется при каждом включении системы.

Внешняя память

Внешняя память 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 представлена разнообразными видами запоминающих устройств, но наиболее распространенными из них, имеющимися практически на любом компьютере, являются показанные на структурной схеме накопители на жестких (НЖМД ) и гибких (НГМД) магнитных дисках.

Назначение этих накопителей: хранение больших объемов информации, запись и выдача информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. Различаются НЖМД и НГМД конструктивно, объемами хранимой информации и временем ее поиска, записи и считывания. В качестве устройств внешней памяти часто используются также накопители на оптических дисках(CD ROM - Compact Disk Read Only Memory) и реже - запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (НКМЛ, стримеры).

Источник питания

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

Таймер

Таймер - внутримашинные электронные часы реального времени, 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 электросети продолжает работать.

Внешние устройства

Внешние устройства (ВУ) ПК - важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса, достаточно сказать, что по стоимости ВУ составляют до 80–85% стоимости всего ПК.

ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими компьютерами.

К внешним устройствам относятся:

Ÿ внешние запоминающие устройства(ВЗУ) или внешняя память ПК;

Ÿ диалоговые средства пользователя;

Ÿ устройства ввода информации;

Ÿ устройства вывода информации;

Ÿ средства связи и телекоммуникаций.

Диалоговые средства пользователя включают в свой состав:

Ÿ видеомонитор(видеотерминал, дисплей) - устройство для отображения вводимой и выводимой из ПК информации;

Ÿ устройства речевого ввода-вывода - быстро развивающиеся средства мультимедиа. Это различные микрофонные акустические системы, «звуковые мыши» со сложным программным обеспечением, позволяющим распознавать произносимые человеком буквы и слова, идентифицировать их и кодировать; синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через громкоговорители (динамики) или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру.

К устройствамввода информации относятся:

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

Ÿ графические планшеты (дигитайзеры) - устройства для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняется считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК;

Ÿ сканеры(читающие автоматы) - оборудование для автоматического считывания с бумажных и пленочных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей;

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

Ÿ сенсорные экраны - для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с экрана дисплея в ПК.

Кустройствамвывода информации относятся:

Ÿ принтеры - печатающие устройства для регистрации информации на бумажный или пленочный носитель;

Ÿ графопостроители (плоттеры) - устройства 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 компьютерам и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы и карты - сетевые адаптеры, «стыки», мультиплексорыпередачи данных, модемы - модуляторы/демодуляторы).

В частности, показанный на рис. 4.1 сетевой адаптеротносится к внешнему интерфейсу ПК и служит для подключения его к каналу связи с целью обмена информацией с другими компьютерами при работе в составе вычислительной сети. В качестве сетевого адаптера чаще всего используется модем.

Многие из названных выше устройств относится к условно выделенной группе средств мультимедиа.

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 т. д. К средствам мультимедиа относятся устройства речевого ввода и устройства речевого вывода информации; микрофоны и видеокамеры, акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами; звуковые и видеоадаптеры, платы видеозахвата, снимающие изображение с видеомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в ПК; широко распространенные уже сейчас сканеры, позволяющие автоматически вводить в компьютер печатные тексты и рисунки; наконец, внешние запоминающие устройства большой емкости на оптических дисках, часто используемые для записи звуковой и видеоинформации.

Процессор, или более полно микропроцессор, а также часто называемый ЦПУ (CPU - central processing unit) является центральным компонентом компьютера. Это разум, который управляет, прямо или косвенно, всем происходящим внутри компьютера. Когда фон Нейман впервые предложил хранить последовательность инструкций, так называемые программы, в той же памяти, что и данные, это была поистине новаторская идея. Опубликована она в "First Draft of a Report on the EDVAC" в 1945 году. Этот отчет описывал компьютер состоящим из четырех основных частей: центрального арифметического устройства, центрального управляющего устройства, памяти и средств ввода-вывода. Сегодня, более полувека спустя, почти все процессоры имеют фон-неймановскую архитектуру.

На первый взгляд, процессор – просто выращенный по специальной технологии кристалл кремния (не зря его ещё называют «камень»). Однако камешек этот содержит в себе множество отдельных элементов – транзисторов, которые в совокупности и наделяют компьютер способностью «думать». Точнее, вычислять, производя определённые математические операции с числами, в которые преображается любая поступающая в компьютер информация. Таких транзисторов в любом микропроцессоре многие миллионы.

Сегодняшний процессор – это не просто скопище транзисторов, а целая система множества важных устройств. На любом процессорном кристалле находятся:

Собственно, процессор, главное вычислительное устройство, состоящее из миллионов логических элементов – транзисторов.

Сопроцессор – специальный блок для операций с «плавающей точкой». Применяется для особо точных и сложных расчётов, а так же для работы с рядом графических программ.

Кэш-память первого уровня – небольшая (несколько десятков килобайт) сверхбыстрая память, предназначенная для хранения промежуточных результатов вычислений.

Кэш-память второго уровня – эта память чуть помедленнее, зато больше – от 128 кбайт до 2048 кбайт.

Все эти устройства размещаются на кристалле площадью не более 4-6 квадратных сантиметров. Только под микроскопом можно разглядеть крохотные элементы, из которых состоит микропроцессор, и соединяющие их металлические «дорожки» (для их изготовления ранее использовали алюминий, сейчас же на смену ему пришла медь). Их размер поражает воображение – десятые доли микрона! Сейчас большая часть процессоров производится по 0,09-микронной технологии. Но это не самое важное. Существуют другие, гораздо более важные для нас характеристики процессора, которые прямо связаны с возможностями и скоростью работы.

Основные функциональные компоненты процессора

Ядро: Сердце современного процессора - исполняющий модуль. Современный процессор имеет два параллельных целочисленных потока, позволяющих читать, интерпретировать, выполнять и отправлять две инструкции одновременно.

Предсказатель ветвлений: Модуль предсказания ветвлений пытается угадать, какая последовательность будет выполняться каждый раз когда программа содержит условный переход, так чтобы устройства предварительной выборки и декодирования получали бы инструкции готовыми предварительно.

Блок плавающей точки. Третий выполняющий модуль внутри процессора, выполняющий нецелочисленные вычисления

Первичный кэш: Pentium имеет два внутричиповых кэша по 8kb, по одному для данных и инструкций, которые намного быстрее большего внешнего вторичного кэша.

Шинный интерфейс: принимает смесь кода и данных в CPU, разделяет их до готовности к использованию, и вновь соединяет, отправляя наружу.

Все элементы процессора синхронизируются с использованием частоты часов, которые определяют скорость выполнения операций. Самые первые процессоры работали на частоте 100kHz, сегодня рядовая частота процессора - 200MHz, иначе говоря, часики тикают 200 миллионов раз в секунду, а каждый тик влечет за собой выполнение многих действий. Счетчик Команд (PC) - внутренний указатель, содержащий адрес следующей выполняемой команды. Когда приходит время для ее исполнения, Управляющий Модуль помещает инструкцию из памяти в регистр инструкций (IR). В то же самое время Счетчик команд увеличивается, так чтобы указывать на последующую инструкцию, а процессор выполняет инструкцию в IR. Некоторые инструкции управляют самим Управляющим Модулем, так если инструкция гласит "перейти на адрес 2749", величина 2749 записывается в Счетчик Команд, чтобы процессор выполнял эту инструкцию следующей.

Многие инструкции задействуют Арифметико-логическое Устройство (ALU), работающее совместно с Регистрами Общего Назначения - место для временного хранения, которое может загружать и выгружать данные из памяти. Типичной инструкцией ALU может служить добавление содержимого ячейки памяти к регистру общего назначения. ALU также устанавливает биты Регистра Состояний (Status register - SR) при выполнении инструкций для хранения информации о ее результате. Например, SR имеет биты, указывающие на нулевой результат, переполнение, перенос и так далее. Модуль Управления использует информацию в SR для выполнения условных операций, таких как "перейти по адресу 7410 если выполнение предыдущей инструкции вызвало переполнение".

Это почти все что касается самого общего рассказа о процессорах - почти любая операция может быть выполнена последовательностью простых инструкций, подобных описанным. Большинство процессоров сегодня применяют поточную обработку (pipelining), которая больше похожа на фабричный конвейер. Одна стадия потока выделена под каждый шаг, необходимый для выполнения инструкции, и каждая стадия передает инструкцию следующей, когда она выполнила свою часть. Это значит, что в любой момент времени одна инструкция загружается, другая декодируется, доставляются данные для третьей, четвертая исполняется, и записывается результат для пятой. При текущей технологии одна инструкция за тик может быть достигнута.

Более того, многие процессоры сейчас имеют суперскалярную архитектуру. Это значит, что схема каждой стадии потока дублируется, так что много инструкций могут передаваться параллельно.

Что отличает микропроцессор от его предшественников, сконструированных из ламп, отдельных транзисторов, малых интегральных схем, такими какими они были первое время от полного процессора на едином кремниевом чипе.

Кремний или силикон - это основной материал из которого производятся чипы. Это полупроводник, который, будучи присажен добавками по специальной маске, становится транзистором, основным строительным блоком цифровых схем. Процесс подразумевает вытравливание транзисторов, резисторов, пересекающихся дорожек и так далее на поверхности кремния.

Сперва выращивается кремневая болванка. Она должна иметь бездефектную кристаллическую структуру, этот аспект налагает ограничение на ее размер. В прежние дни болванка ограничивалась диаметром в 2 дюйма, а сейчас распространены 8 дюймов. На следующей стадии болванка разрезается на слои, называемые пластинами (wafers). Они полируются до безупречной зеркальной поверхности. На этой пластине и создается чип. Обычно из одной пластины делается много процессоров.

Электрическая схема состоит из разных материалов. Например, диоксид кремния - это изолятор, из полисиликона изготавливаются проводящие дорожки. Когда появляется открытая пластина, она бомбардируется ионами для создания транзисторов - это и называется присадкой.

Чтобы создать все требуемые детали, на всю поверхность пластины добавляется слои и лишние части вытравливаются вновь. Чтобы сделать это, новый слой покрывается фоторезистором, на который проектируется образ требуемых деталей. После экспозиции проявление удаляет те части фоторезистора, которые выставлены на свет, оставляя маску, через которую проходило вытравливание. Оставшийся фоторезистор удаляется растворителем.

Говоря о скорости процессора, подразумевается его тактовая частота. Это величина, измеряемая в мегагерцах (МГц), показывает, сколько инструкций способен выполнить процессор в течение секунды. Тактовая частота обознается цифрой в названии процессора (например, Pentium 4-2400, то есть процессор поколения Pentium 4 с тактовой частотой 2400 МГц или 2.4 ГГц).

Тактовая частота – бесспорно, самый важный показатель скорости работы процессора. Но далеко не единственный.

Системная шина (FSB = Front Side Bus или System Bus) служит для связи процессора с остальным компьютером. Системная шина является основой для формирования частоты других шин передачи данных компьютера – AGP, память, PCI, путем умножения на определенный коэффициент.

Современные процессоры работают быстрее, чем память.Чем медленнее память, тем больше процессору ждать новых данных от нее и ничего не делать. В кэш памяти находятся машинные слова (можно их назвать данными), которые чаще всего используются процессором. Если ему требуется какое-нибудь слово, то он сначала обращается к кэш памяти. Существует принцип локализации, по которому в кэш вместе с требуемым в данный момент словом загружаются также и соседние с ним слова, т.к. велика вероятность того, что они в ближайшее время тоже понадобятся. В современных десктопных процессорах существует два уровня кэш-памяти (для серверов существует процессоры с третьим уровнем кэша, его также). Кэш первого уровня (Level 1 = L1) обычно разделён пополам, половина выделена для данных, а другая половина под инструкции. Кэш второго уровня (Level 2 = L2) предназначается только для данных. Пропускная способность оперативной памяти конечно высока, но кэш память работает в несколько раз быстрее. У старых процессоров микросхемы кэша L2 находились на материнской плате. Скорость работы кэша при этом была довольно низкой (равнялась частоте FSB), но её хватало. У последних процессоров, в целях увеличения быстродействия, упрощения и удешевления производства, кэш L2 интегрирован в ядро и работает на его полной частоте. Чем больше кэш, тем лучше, но с другой стороны, при увеличении кэша увеличивается время выборки (поиска и извлечения) данных из него. Хотя увеличение кэша L2, не смотря на это, почти всегда дает прирост по скорости.

Ядром называют сам процессорный кристалл, ту часть, которая непосредственно является "процессором". Сам кристалл у современных моделей имеет небольшие размеры, а размеры готового процессора увеличиваются очень сильно за счет его корпусировки и разводки. Процессорный кристалл можно увидеть, например, у процессоров Athlon, у них он не закрыт. У P4 вся верхняя часть скрыта под теплорассеивателем (который так же выполняет защитную функцию

Форм-фактор – это тип исполнения процессора, его «внешности» и способа подключения к материнской плате.

Как правило, все элементы процессора расположены на одном и том же кристалле кремния и имеют квадратную форму (тип разъёма «Socket»). Прямоугольный корпус с торчащими из него ножками-контактами.

Процессоры имеют разные разъёмы по причине принципиальных конструктивных отличий (количество транзисторов, архитектура и т. п.). Пока было только два принципиально разных типа разъёмов - Slot и Soсket. По заверениям Intel (но если посмотреть на Pentium Pro, то всё становится ясно), Slot 1 был использован только из-за необходимости помещения кэша поближе к ядру и больше применяться, скорее всего, не будет. Socket же продолжает развиваться - количество контактов все растёт и растёт (если увеличение числа контактов можно считать развитием)

Коэффициент умножения (Frequency Ratio / Multiplier), это то число, на которое умножается частота системной шины, в результате чего получается рабочая частота процессора. Заблокированный коэффициент означает, что процессор будет умножать системную шину всегда на одну и ту же цифру. Т. е. разгон без увеличения частоты шины для такого процессора невозможен.

Обобщенная структурная схема процессора.

Схема состоит из:

GR – регистр общего назначения

ALU – арифметико-логическое устройство

A – регистр аккумулятор

RB – буферный регистр

F – регистр флагов (признаков)

IP – указатель команд (счетчик команд)

RI (IR) – регистр команд

DC – дешифратор команд

CU – устройство управления

IB –внутренняя общая магистраль

FB – устройство сопряжения с внешней шиной.

Код операции попадает в регистр команд, затем в дешифратор и в устройство управления.

В регистр флагов записывается:

1) С – carry (переполнение)

2) Z (флаг) – z=1, если результат равен 0, z=0 если результат не равен 0.

3) S – флаг указания положительного или отрицательного результата (положительный – s=0, отрицательный – s=1)

4) P – флаг четности (четное либо нечетное количество единиц в операнде)

р=1 – четное число единиц; р=0 – нечетное число единиц;

При выполнении арифметических и логических операций флаги формируются всегда.

Флаги помогают организовать ветвление программы.

Основными особенностями организации современных микропроцессоров и микро-ЭВМ является:

А) Модульная структура, в которой модули являются функционально законченными устройствами

Б) Магистральная организация связей между модулями, при которой общие шины используются разными модулями

В) Микропрограммное управление

Г) Байтовая адресация памяти и побайтовая обработка данных

Д) Использование внутренних сверхоперативных регистров.

В структуре можно выделить три основные части: центральный процессор, блок управления и постоянная память микропрограмм. Центральный процессор содержит АЛУ, сверхоперативную память в виде программно доступных общих регистров и функциональные регистры – командный, индексный, адресный, указатель стека и программный счетчик. АЛУ состоит из двоичного сумматора, сдвигающего регистра, двух регистров операндов и регистра результата. Схемы АЛУ выполняют команды сложения, вычитания, логическое И, ИЛИ, сложение по модулю 2 и сдвигов. Более сложные операции реализуются программно. Блок микропрограммного управления содержит дешифратор кода операции, схему формирования функций перехода к следующему адресу в микропрограмме и регистр адреса микрокоманды. Система прерывания в микропроцессорах достаточно проста и предназначена только для восприятия прерываний от внешних источников. Микропроцессоры имеют упрощенные схемы управления ПУ. В значительной степени управление этими устройствами реализуется посредством микропрограммного управления. Блок постоянной памяти микропрограмм, реализующих команды микропроцессора, обычно выполняется в виде отдельной БИС. В микропроцессорах используют косвенную, непосредственную, индексную адресации основной оперативной памяти и прямую адресацию общих регистров. Сверхоперативная память на общих регистрах, позволяет сократить количество обращений к внешней памяти и уменьшить необходимое количество выводов корпуса за счет сокращения формата команды. Из-за ограниченного числа выводов корпуса БИС не удается реализовать интерфейс микропроцессора с высокой пропускной способностью. Поэтому микропроцессоры имеют так называемый общий интерфейс, обслуживающий как внешнюю оперативную память, так и ПУ. Если не удается выделить для интерфейса достаточное количество выводов, применяют мультиплексирование шин (использование шин для разных целей на основе разделения времени). Для обеспечения совместной работы микропроцессора и внешнего оборудования шины интерфейса снабжаются буферными схемами, в которых используются электронные схемы с тремя состояниями и спец. линии управления выдачи данных.

В любом устройстве обработки цифровой информации можно выделить операционный и управляющий блоки. Такой подход упрощает проектирование, а также облегчает понимание процесса функционирования вычислительного устройства.

Операционный блок состоит из регистров, сумматоров и других узлов, производящих прием из внешней среды и хранение кодов, их преобразование и выдачу результатов работы во внешнюю среду, а также выдачу в управляющий блок и внешнюю среду оповещающих сигналов.

Процесс функционирования во времени устройства обработки состоит из последовательности тактовых интервалов, в которых операционный блок производит элементарные преобразования кодов (передачу кода из одного регистра в другой, взятие обратного кода, сдвиг и т.д.).

Элементарная функциональная операция, выполняемая за один тактовый интервал и приводимая в действие одним управляющим сигналом называется микрооперацией.

Управляющий блок вырабатывает распределенную во времени последовательность управляющих сигналов, порождающих в операционном блоке нужную последовательность микроопераций.

Последовательность управляющих сигналов (микрокоманд) определяется кодом операции, поступающим извне, состоянием операндов и промежуточными результатами преобразований.

Существует два основных типа управляющих автоматов:

1) Управляющий автомат с жесткой логикой.

Для каждой операции, задаваемой кодом операции команды, строится набор комбинационных схем, которые в нужных тактах возбуждают соответствующие управляющие сигналы.

2) Управляющий автомат с хранимой в памяти логикой.

Каждой выполняемой в операционном устройстве операции ставится в соответствие совокупность хранимых в памяти слов - микрокоманд, содержащих информацию о микрооперациях, подлежащих выполнению в течение одного машинного такта, и указание, какая микрокоманда должна выполняться следующей.

Последовательность микрокоманд, обеспечивающая выполнение некоторой операции (например, умножения), называется микропрограммой данной операции.