Строение современного компьютера

Содержание:

Введение

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.

С давних времен люди стремились облегчить свой труд. С этой целью создавались различные механизмы и машины, усиливающие физические возможности человека. Компьютер был изобретен в середине XX для усиления возможностей интеллектуальной работы человека, то есть работы с информацией.

В настоящее время развитие любой страны невозможно без компьютеризации всех сфер деятельности. От скорости и полноты обработки и передачи информации зависят успехи не только в научной, образовательной, экономической деятельности, но и в сфере политики и защиты государственных интересов, в совокупности способствующих устойчивому развитию страны. Важную роль в этом процессе играет совершенствование архитектуры компьютеров.

Сначала нам нужно определить, что мы будем понимать под архитектурой компьютера. Дисциплина «Архитектура компьютеров» изучает внутреннюю организацию вычислительной системы, знание которой позволяет программистам рационально использовать ресурсы системы и проектировать эффективные программы. Итак, под архитектурой компьютера понимается его логическая организация, структура и ресурсы, т.е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени. Архитектура ПК определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: центрального процессора; основной памяти; внешней памяти; периферийных устройств.

Мы различаем внешнюю архитектуру и внутреннюю архитектуру ПК. Во внешнюю архитектуру входит то, что видят люди, которые используют машину для своих целей. Внутренняя архитектура – это то, из чего состоит компьютер и на чем основывается накопление, обработка и передача информации внутри него.

В основе большинства современных и ранее разработанных ПК лежит так называемые принципы фон Неймана, названный в честь американского ученого Джона фон Неймана (1903-1957), впервые изложивший принципиальные положения архитектуры ПК во II-ой половине 40-х годов. По сути, Нейману удалось обобщить научные разработки и открытия многих других ученых и сформулировать на их основе принципиально новое.

Принципы фон Неймана.

1. Использование двоичной системы счисления в вычислительных машинах. Преимущество перед десятичной системой счисления заключается в том, что устройства можно делать достаточно простыми, арифметические и логические операции в двоичной системе счисления также выполняются достаточно просто.

2. Программное управление ЭВМ. Работа ЭВМ контролируется программой, состоящей из набора команд. Команды выполняются последовательно друг за другом. Созданием машины с хранимой в памяти программой было положено начало тому, что мы сегодня называем программированием.

3. Память компьютера используется не только для хранения данных, но и программ. При этом и команды программы и данные кодируются в двоичной системе счисления, т.е. их способ записи одинаков. Поэтому в определенных ситуациях над командами можно выполнять те же действия, что и над данными.

4. Ячейки памяти ЭВМ имеют адреса, которые последовательно пронумерованы. В любой момент можно обратиться к любой ячейке памяти по ее адресу. Этот принцип открыл возможность использовать переменные в программировании.

5. Возможность условного перехода в процессе выполнения программы. Не смотря на то, что команды выполняются последовательно, в программах можно реализовать возможность перехода к любому участку кода.

6. Наличие устройств ввода и вывода информации. Именно эти устройства являются базовыми и достаточными для работы компьютера на пользовательском уровне.

7. Принцип открытой архитектуры – правила построения компьютера, в соответствии с которыми каждый новый блок должен быть совместим со старым и легко устанавливаться в том же месте в компьютере. В компьютере столь же легко можно заменить старые блоки на новые, где бы они ни располагались, в результате чего работа компьютера не только не нарушается, но и становится более производительной. Этот принцип позволяет не выбрасывать, а модернизировать ранее купленный компьютер, легко заменяя в нем устаревшие блоки на более совершенные и удобные, а также приобретать и устанавливать новые блоки. Причем во всех разъемы для их подключения являются стандартными и не требуют никаких изменений в самой конструкции компьютера.

Самым главным следствием этих принципов можно назвать то, что теперь программа уже не была постоянной частью машины (как например, у калькулятора). Программу стало возможно легко изменить. А вот аппаратура, конечно же, остается неизменной, и очень простой.

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

В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип (Приложение 1). Модульная организация информационной системы основана на магист­ральном принципе обмена информацией. Обмен информацией между отдельными устройствами компьютера производится по магистрали, соединяющей все устройства компьютера. Устройства ПК представляют со­бой отдельные модули, которые подключаются к магистрали с помощью контроллеров и управление которыми на программном уровне обеспечива­ется специальными программами — драйверами устройств. Контроллеры одного или нескольких устройств монтируются на отдельных платах, кото­рые называются адаптерами. Именно контроллер принимает сигнал от про­цессора и дешифрует его для данного устройства. Таким образом, за работу конкретного устройства отвечает не процессор, а контроллер, что позволяет свободно менять внешние устройства ЭВМ. Модульный принцип позволяет подключить и заменить периферийные устройства, увеличить внутреннюю память, заменить микропроцессор, т.е. позволяет пользователю самому ком­плектовать нужную конфигурацию компьютера или проводить его модер­низацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления. Шины представляют собой многопроводные линии.

Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении.

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т.е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. Разрядность процессоров постоянно увеличивалась по мере развития компьютерной техники и в настоящее время составляет 64 бита.

Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).

Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления определяют какую операцию считывание или запись информации из памяти нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т. д.

Ко всему прочему, ПК разделяют на две основные составляющие - аппаратное и программное обеспечение.

Аппаратное обеспечение персонального компьютера (Приложение 2) - оборудование, составляющее компьютер. Все устройства, составляющие аппаратное обеспечение персональ­ного компьютера, взаимосвязаны между собой, каждое из них выполняет свою функцию, а, в общем, обеспечивают полноценную обработку всех видов данных с помощью ПК.

Программное обеспечение (software) – это набор команд, управляющих работой компьютера. Без программного обеспечения компьютер не сможет выполнять задачи, которые мы обычно связываем с компьютерами.

Программа (program) – это набор команд для компьютера. Процесс создания или написания программ называется программированием, а люди, которые специализируются на этом виде деятельности – программистами. Синонимом слову "программа" является термин "приложение" (application).
Для того чтобы программа была выполнена, она должна быть загружена в оперативную память компьютера вместе с данными, которые необходимо обработать (обычно говорят запустить программу или запустить на выполнение). Когда выполнение программы завершено, она выгружается из оперативной памяти компьютера. Все современные компьютеры позволяют загрузить на выполнение несколько программ одновременно.

Ознакомившись с основные особенностями архитектуры современных компьютеров, начнем подробный разбор внешней архитектуры ПК.

Глава 1. Внешняя архитектура ПК

1.1 Основные положения

Внешняя архитектура современного персонального  компьютера представляет собой соединение монитора, клавиатуры, мыши и акустической системы к системному блоку. 

Также в состав компьютера могут входить дополнительные (периферийные) устройства. К ним относятся принтер, сканер, модем, источник бесперебойного питания (сокращенно ИБМ), ТВ-тюнер.

Так как развитие технологий идет настолько быстро, что «всё тайное становится явным» и многие внутренние компоненты системного блока теперь можно сделать внешними. Это относится к:

• видеокарте,
• звуковой карте,
• сетевой плате,
• дисководам,
• к винчестеру

Итак, рассмотрим основные компоненты внешней архитектуры современного ПК.

1.2 Системный блок

Системный блок - функциональный элемент, защищающий внутренние компоненты ПК от внешнего воздействия и механических повреждений, поддерживающий необходимый температурный режим внутри системного блока, экранирующий создаваемые внутренними компонентами электромагнитное излучение и является основой для дальнейшего расширения системы. Системные блоки чаще всего изготавливаются из деталей на основе стали, алюминия и пластика, также иногда используются такие материалы, как древесина или органическое стекло.

Системный блок ПК отвечает за полную жизнедеятельность всего компьютера. В нем расположены основные комплектующие.

Корпус ПК - это как правило невзрачный железный прямоугольный ящик в основном белого или черного цвета. Многих устраивает внешний облик корпуса, главное, чтобы все работало. Но существует категория людей которые желают изменить системный блок, сделать его красивее, вписать в интерьер рабочего стола как что то необычное и оригинальное. Так зародилось такое направление как моддинг. Моддинг (Приложение 3) под собой подразумевает изменение конфигурации и внешнего облика персонального компьютера, в большей степени системного корпуса. Чаще всего моддингом занимаются энтузиасты, доводя свой ПК до совершенства. Если произвести аналитическое сравнение, то аналогичным занятием можно назвать тюнинг автомобиля.

1.3 Монитор

Монитор (дисплей, экран) является составной частью каждого компьютера и предназначен для обмена информацией между пользователем и компьютером. Монитор компьютера - это универсальное устройство, предназначенное для визуального отображения текстовой и графической информации. Современный монитор состоит из экрана (дисплея), блока питания, плат управления и корпуса. Информация для отображения на мониторе поступает с электронного устройства, формирующего видеосигнал (в компьютере — видеокарта).

Мониторы можно классифицировать различными способами: по виду выводимой информации (алфавитно-цифровые, графические и др.), по размерности отображения (2D, 3D), по типу видеоадаптера (VGA, SVGA и др.), по типу устройства использования (компьютерный монитор, рекламный и др.)

Следуя последней классификации на сегодня можно выделить три основных вида мониторов:

• электроннолучевые мониторы (Cathode Ray Tube);
• жидкокристаллические мониторы (Liquid Cristal Display);
• плазменные мониторы (Plasma Display Panel).

В некоторых случаях в качестве монитора может применяться телевизор или проектор (Приложение 4).

CRT монитор (с электронно-лучевой трубкой) - это до сих пор наиболее часто используемый монитор. Данный монитор использовался годами, но в настоящее время большинство людей склоны к приобретению менее громоздких и более легких по весу LCD Мониторов.
CRT монитор работает так же, как и старые телевизоры и обычно бывает громоздким и тяжелым по весу. Катод в мониторе преобразует электронный луч через вакуумную трубку, которая также располагается в мониторе. Вакуумная трубка выделяет фосфор, который создает световое изображение на экране монитора.

В общих чертах, LCD монитор - это компактный, тонкий и мало весящий дисплей. Способ работы LCD монитора можно сравнить с тем, как работают цифровые часы. В нем есть транзисторы, которые заряжают жидкие кристаллы, расположенные между двумя пластинами стекла. Флуоресцентная трубка предоставляет источник света, который проходит через один слой жидких кристаллов. Обычно LCD монитор дольше работает, меньше подвержен перегреву, является компактным и энергетически эффективным. В данный момент набирают популярность мониторы с изогнутым экраном. Радиус и глубина изгиба увеличивают поле зрения, поэтому такой экран кажется больше и лучше создает эффект присутствия, чем плоский дисплей того же размера.

Стоимость мониторов PDP более высока, чем у предыдущих двух видов мониторов.

Принцип действия плазменных мониторов основан на том, что при воздействии ультрафиолетового излучения, происходит световой разряд, при этом начинают светиться специальные люминофоры на экране. Возникает излучение в среде сильно разрежённого газа. При разряде между электродами образуется так называемый проводящий шнур, который состоит из ионизированных молекул газа (плазмы).

Схема управления PDP подает сигналы на проводники, которые нанесены на внутренние части стёкол панели. Таким образом, происходит кадровая развёртка.

Яркость каждого элемента изображения зависит от времени свечения соответствующей ячейки: наиболее яркие светят постоянно, тёмные — не горят вовсе. Светлые участки панели излучают равномерный свет, благодаря чему изображение на плазменной панели абсолютно не мерцает, обеспечивая оптимальную защиту для глаз.

1.4 Клавиатура

Клавиатура  компьютера - одно из основных устройств ввода информации от пользователя в компьютер. Стандартная компьютерная клавиатура, также называемая клавиатурой PC/AT или AT-клавиатурой (поскольку она начала поставляться вместе с компьютерами серии IBM PC/AT), имеет 101 или 102 клавиши. Клавиатуры, которые поставлялись вместе с предыдущими сериями — IBM PC и IBM PC/XT, — имели 86 клавиш. Расположение клавиш на AT-клавиатуре подчиняется единой общепринятой схеме, спроектированной в расчёте на английский алфавит.
       По  своему назначению клавиши на клавиатуре делятся на шесть групп:

• функциональные;
• алфавитно-цифровые
• управления  курсором
• цифровая  панель
• специализированные
• модификаторы

Существует множество типов клавиатур: гибкие, беспроводные тканевые, для геймеров, круглая клавиатура, лазерная, виртуальная, деревянная, в виде сенсорного дисплея и даже штаны с клавиатурой (Приложение 5).

1.5 Указательные устройства ввода информации

Компьютерная Мышь — координатное устройство ввода для управления курсором и отдачи различных команд компьютеру.

Мышь представляет собой легко умещающуюся в ладони коробочку с кнопками. При перемещении мыши по столу или иной поверхности происходит аналогичное перемещение курсора на экране монитора. В дополнение к детектору перемещения, мышь имеет от одной до трех и более кнопок, а также дополнительные элементы управления (колеса прокрутки, потенциометры, джойстики и т.п.), действие которых обычно связывается с текущим положением курсора (или составляющих специфического интерфейса). С помощью кнопок мыши можно подавать команды компьютеру. Мышь делает очень удобным манипулирование такими широко распространенными в графических пакетах объектами, как окна, меню, пиктограммы. Первую компьютерную мышь создал сотрудник фирмы «Ксерокс» Дуглас Энджелбарт. Компания Apple первой оснастила мышами свои компьютеры Macintosh.

Элементы управления мыши во многом являются воплощением идей аккордной клавиатуры (то есть, клавиатуры для работы вслепую). Мышь, изначально создаваемая в качестве дополнения к аккордной клавиатуре, фактически ее заменила.

В некоторые мыши встраиваются дополнительные независимые устройства – часы, калькуляторы, телефоны.

Название «мышь» манипулятор получил в Стэндфордском Исследовательском институте из-за схожести сигнального провода с хвостом одноименного грызуна (у ранних моделей он выходил из задней части устройства).

Компьютерная мышь получила широкое распространение в связи с появлением графического интерфейса пользователя на персональных компьютерах Apple Macintosh и позднее в OC Windows для IBM PC.

Помимо мышек, встречаются другие устройства ввода аналогичного назначения: трекболы, графические планшеты, сенсорные экраны, световое перо, джойстики (Приложение 6).

Трекбол. По принципу действия трекбол (Track ball) лучше всего сравнить с мышкой, которая лежит на столе «брюшком» вверх.  

Джойстик - устройство управления в компьютерных играх. Представляет собой рычаг на подставке, который можно отклонять в двух плоскостях.

Джойстик  входит в необходимый игровой набор для компьютера, применяют его и в различных программах тренажёрах и обучающих симуляторах (наряду с виртуальными шлемами, рулями и т.п.).

Сенсорный экран (тачпад) - устройство ввода информации, представляющее собой экран, реагирующий на прикосновения к нему.

Тачпад служит для перемещения курсора в зависимости от движений пальца пользователя и используется для замены мыши в ноутбуках. Для перемещения курсора на весь экран достаточно небольшого перемещения пальца по поверхности сенсорного экрана.

Световое перо внешне имеет вид шариковой ручки или карандаша, соединённого проводом с одним из портов ввода-вывода компьютера.

Обычно на световом пере имеется одна или несколько кнопок, которые могут нажиматься рукой, удерживающей перо. Ввод данных с помощью светового пера заключается в прикосновениях или проведении линий пером по поверхности экрана монитора. В наконечнике пера устанавливается фотоэлемент, который регистрирует изменение яркости экрана в точке, с которой соприкасается перо, за счёт чего соответствующее программное обеспечение вычисляет позицию, «указываемую» пером на экране и может, в зависимости от необходимости, интерпретировать её тем или иным образом, обычно как указание на отображаемый на экране объект или как команду рисования.

Графический планшет (дигитайзер) - это устройство для имитации рисования от руки по бумаге. В отличии от обычных планшетов они не имеют операционной системы и соответственно на них нельзя устанавливать программы.
Состоит из пера и плоского планшета, по которому рисуют пером. Сам планшет может быть как с экраном, на котором видно что рисуешь так и без него (то что рисуем смотрим на экране монитора). Перо имеет чувствительность к нажатию, благодаря чему можно контролировать степень прозрачности или толщину линий при рисовании. На самом планшете так же могут присутствовать дополнительные клавиши, которые можно настроить под графические программы в которых рисуют (например Photoshop или Paint Tool Sai).
Графический планшет используют дизайнеры, фотографы и иллюстраторы.

1.6 Устройства для вывода звуковой информации

Динамик ПК (англ. PC speaker; Beeper) — простейшее устройство воспроизведения звука, применявшееся в IBM PC и совместимых ПК. До появления недорогих звуковых плат динамик являлся основным устройством воспроизведения звука.

Из-за низкого качества и примитивности звука, воспроизводимого устройством, оно получило ряд кличек — PC squeaker и PC beeper в английском языке; «скрипер», «хрипер», «хрюкер» и т.п. в русском.

В настоящее время PC speaker остаётся штатным устройством IBM PC-совместимых компьютеров, и в основном используется для подачи сигналов об ошибках, в частности при проведении POST. Некоторые программы (Skype) всегда дублируют вызывной сигнал на динамик, но не выводят через него звук разговора - это бывает удобно, когда к звуковой плате подключены наушники (по умолчанию не надетые).

Имеются два способа управления динамиком:

• программируемый таймер, генерирующий прямоугольную звуковую волну заданной частоты без участия центрального процессора. Это позволяет проигрывать простые одноголосые звуковые сигналы. Если программа зависала во время проигрывания звука, таймер продолжал работать, выдавая одну ноту, пока компьютер не перезагрузят;
• прямое управление мембраной через порт 61h с дискретностью в 1 бит. Подавая с большой частотой то 0, то 1, с помощью широтно-импульсной модуляции можно синтезировать низкокачественный оцифрованный звук — правда, за счёт существенного использования ресурсов процессора. Все подобные программы не работают в многозадачных операционных системах.

Акустическая система - устройство для воспроизведения звука, состоит из акустического оформления и вмонтированных в него излучающих головок (обычно динамических).

Акустическая  система бывает однополосной (один широкополосный излучатель, например, динамическая головка) и многополосной (две и более головок, каждая из которых создаёт звуковое давление в своей частотной полосе). Акустическая система состоит из акустического оформления (например, «закрытый ящик» или «система с фазоинвертором» и др.) и вмонтированных в него излучающих головок (обычно динамических).

Однополосные системы не получили широкого распространения  ввиду трудностей создания излучателя, одинаково хорошо воспроизводящего сигналы разных частот. Высокие интермодуляционные искажения при значительном ходе одного излучателя вызваны эффектом Доплера.
В многополосных акустических системах спектр слышимых человеком звуковых частот разбивается на несколько  перекрываемых между собой диапазонов посредством фильтров (комбинации резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, или с помощью цифрового кроссовера). Каждый диапазон подаётся на свою динамическую головку, которая имеет наилучшие характеристики в этом диапазоне. Таким образом достигается наиболее высококачественное воспроизведение слышимых человеком звуковых частот (20—20 000 Гц). 

Наушники - устройство для персонального прослушивания звука. Наушники представляют собой пару небольших по размеру звукоизлучателей, надеваемых на голову или вставляемых прямо в ушные каналы. Наушники часто применяются в быту и в профессиональной деятельности для прослушивания музыки и речи, когда необходима мобильность или звукоизоляция от окружающего пространства. Наушники с прикреплённым к ним микрофоном образуют головную гарнитуру. Иногда в профессиональной деятельности вместо пары используется один отдельный наушник, он называется монитор.

В технической литературе вместо слова «наушники» традиционно используется термин «головные телефоны». Термин возник, скорее всего, в результате буквального прочтения английского слова headphones(англ. head — голова, phone — телефон). Ещё в 1899 году в одном из первых радиоприёмников, созданных Александром Поповым, преобразованные из радиосигналов звуковые волны, согласно описанию, прослушивались через «головные телефоны».

Среди геймеров особой популярностью пользуются наушники со встроенным микрофоном.

1.7 Периферийные устройства

Сканер (англ. scanner, от scan «пристально разглядывать, рассматривать»)  - устройство ввода в компьютер информации с бумажного или другого немашинного носителя. Сканер используется для ввода текста, графических изображений. Отраженный от сканируемого изображения свет попадает на матрицу или линейку светочувствительных элементов на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС), которые преобразуют аналоговый сигнал в цифровой. Виды сканеров: ручные, планшетные, рулонные, барабанные.

Ручные сканеры необходимо перемещать рукой, стараясь выдерживать определенную скорость и равномерность перемещения. Они имеют небольшую ширину захвата и невысокое разрешение.

В планшетных сканерах сканирующая головка перемещается относительно изображения с помощью шагового двигателя.

Рулонные сканеры протягивают сканируемые изображения через сканирующее устройство.

Барабанные сканеры в качестве светочувствительного элемента используют фотоэлектронный умножитель, что позволяет получать высококачественный результат.

Принтер (англ. Printer, от print — печать) — это внешнее периферийное устройство компьютера, предназначенное для вывода текстовой или графической информации, хранящейся в компьютере, на твёрдый физический носитель, обычно бумагу, малыми тиражами (от единиц до сотен) без создания печатной формы. Этим принтеры отличаются от полиграфического оборудования и ризографов, которое за счёт печатной формы быстрее и дешевле на крупных тиражах (сотни и более экземпляров).

Принтер — это высокотехнологичное устройство печати, созданное в первую очередь для работы с компьютером. Принтер предназначен для преобразования информации, хранящейся в вычислительном устройстве, из цифровой формы в аналоговый вид для доступного понимания этой информации пользователем и последующего долговременного её хранения.

Получили также распространение и другие устройства печати, такие, как многофункциональные устройства (МФУ), в которых в одном приборе объединены функции принтера, сканера, копировального аппарата и телефакса. Такое объединение рационально с технической и экономической стороны, а также удобно в работе.

Микрофо­ном называется прибор, преоб­разующий зву­ки, голос, му­зыку в элект­рические коле­бания. C микрофона компьютер вводит звук в свою память. Микрофон — это устройство ввода.

Принцип работы микрофона заключается в том, что давление звуковых колебаний воздуха, воды или твёрдого вещества действует на тонкую мембрану микрофона. В свою очередь, колебания мембраны возбуждают электрические колебания; в зависимости от типа микрофона для этого используются явление электромагнитной индукции, изменение ёмкости конденсаторов или пьезоэлектрический эффект.

Свойства акустико-механической системы сильно зависят от того, воздействует ли звуковое давление на одну сторону диафрагмы (микрофон давления) или на обе стороны, а во втором случае от того, симметрично ли это воздействие (микрофон градиента давления) или на одну из сторон диафрагмы действуют колебания, непосредственно возбуждающие её, а на вторую — прошедшие через какое-либо механическое или акустическое сопротивление или систему задержки времени (асимметричный микрофон градиента давления).

Большое влияние на характеристики микрофона оказывает его механоэлектрическая часть.

В большинстве случаев пользователи ПК приобретают микрофон, чтобы общаться друг c другом посредством различных Интернет-сервисов голосовой связи (Skype, Ventrilo), а также для лучшей координации в онлайн-играх.

Вебкамера (web-камера) - это цифровая камера, способная в реальном времени фиксировать изображения, предназначенные для дальнейшей передачи по компьютерным сетям.

Современная web-камера представляет собой цифровое устройство, производящее видеосъемку, оцифровку, сжатие и передачу по компьютерной сети видеоизображения. Поэтому в состав web-камеры входят следующие компоненты:

• ПЗС-матрица,
• объектив,
• оптический фильтр,
• плата видеозахвата,
• блок компрессии (сжатия) видеоизображения,
• центральный процессор и встроенный web-сервер,
• ОЗУ,
• флэш-память,
• сетевой интерфейс,
• последовательные порты,
• тревожные входы/выходы.

Web-камеры, предназначенные для видеоконференций - это, как правило, простые модели камер, подключаемые к компьютеру, на котором запущена программа типа Instant Messenger. Модели камер, используемые в охранных целях, могут снабжаться дополнительными устройствами и функциями (такими, как детекторы движения, подключение внешних датчиков и т. п.). Большое распространение получили вебкамеры со встроенным микрофоном.

USB-флеш-накопитель (сленг. флешка, флэшка , флеш-драйв) - запоминающее устройство, использующее в качестве носителя флеш-память, и подключаемое к компьютеру или иному считывающему устройству по интерфейсу USB.

Флеш-накопитель — это один из самых распространённых носителей данных на сегодня. Вследствие включенной по умолчанию возможности одной из наиболее распространенных операционных систем - Windows (начиная с Windows 95) – позволять автозапуск со сменных носителей, флеш-накопители способствуют распространению вирусов в среде Windows при обмене информацией.

В качестве аппаратных решений этой проблемы существуют следующие решения – флеш-накопители с определением отпечатка пальцев, блокировка с помощью специального программного обеспечения, флеш-накопители с системой защиты от записи (чаще всего реализуется в виде механического переключателя, разрешающего или запрещающего запись на накопитель).

Из-за утери флеш-накопителя с конфиденциальной информацией под угрозой может оказаться личная жизнь владельца. Для решения этой проблемы применяется стороннее криптографическое программное обеспечение (например, FreeOTFE). Некоторые флеш-накопители оборудованы системой шифрования, реализованной на аппаратном уровне.

Основное назначение USB-накопителей - хранение, перенос и обмен данными, резервное копирование, загрузка операционных систем (Live USB, Rufus) и др.

Основные компоненты флешки:

• USB-интерфейс (чаще USB 2.0 или 3.0 Стандарт-А, иногда microUSB) - обеспечивает физическое соединение с компьютером.
• Контроллер - небольшой микроконтроллер со встроенными ROM и RAM.
• NAND-чип флеш-памяти - хранит информацию.
• Осциллятор - генерирует синхронизирующий сигнал (12 MHz) для шины USB.

На большинстве флешек повсеместно используются файловые системы семейства FAT. В зависимости от размера накопителя применяются FAT16, FAT32 или exFAT. Для флешек размером 64ГБ и более используются NTFS или exFAT.

Модем (аббревиатура, составленная из слов модулятор-демодулятор) - устройство, применяющееся в системах связи и выполняющее функцию модуляции и демодуляции. Модулятор осуществляет модуляцию несущего сигнала, то есть изменяет его характеристики в соответствии с изменениями входного информационного сигнала, демодулятор осуществляет обратный процесс. Частным случаем модема является широко применяемое периферийное устройство для компьютера, позволяющее ему связываться с другим компьютером, оборудованным модемом, через телефонную сеть (телефонный модем) или кабельную сеть (кабельный модем).
Модем выполняет функцию оконечного оборудования линии связи. При этом формирование данных для передачи и обработку принимаемых данных осуществляет терминальное оборудование, в простейшем случае - персональный компьютер.

В настоящее время, очень часто, неспециалистами, модемом ошибочно называются домашние сетевые ethernet роутеры (обычно, роутер+ethernet коммутатор+беспроводная точка доступа), из-за внешнего сходства с ADSL или DialUP модемом. :)
Бывают, также, GSM/GPRS/3G/CDMA/Wi-Max модемы, чаще всего, подключаемые к USB порту компьютера. DialUp модемы (модемы коммутируемого доступа), 15-20 лет назад бывшие основным способом доступа в сеть интернет, находятся на стадии вымирания из-за низкой скорости соединения и их вытеснения более новыми моделями, использующими более скоростные способы доступа в сеть.

Итак, на этом закончим разбор основных устройств внешней архитектуры современного ПК и перейдем непосредственно к архитектуре внутренней.

Глава 2. Внутренняя архитектура компьютера

2.1 Основные положения

Внутренняя архитектура компьютера — это те устройства, которые обеспечивают процессы накопления, обработки, хранения, представления и передачи информации внутри машины. 

Все основные компоненты персонального компьютера находятся внутри системного блока (Приложение 7): системная (материнская) плата с процессором и оперативной памятью, накопители на жестких и гибких дисках, CD-ROM и др. Кроме этого, в системном блоке находится блок питания, но у Mini-ITX компьютеров (таких, как Alienware-X51) он может располагаться снаружи.

Итак, главный принцип хранения информации в ЭВМ состоит в том, что любая информация кодируется в последовательность сигналов 2-х типов (намагниченный и ненамагниченный), которые соответствуют "0" и "1".

Главным хранилищем информации ЭВМ является память.

2.2 Память

Память - устройство для хранения информации в виде данных и программ. Память – важнейший ресурс вычислительной системы, требующий эффективного управления. Несмотря на то, что в наши дни память среднего домашнего компьютера в тысячи раз превышает память больших ЭВМ 70-х годов, программы увеличиваются в размере быстрее, чем память. Достаточно сказать, что только операционная система занимает сотни Мбайт (например, Windows 2000 – до 30 млн строк), не говоря о прикладных программах и базах данных, которые могут занимать в вычислительных системах десятки и сотни Гбайт.

Память делится прежде всего на внутреннюю (расположенную на системной плате) и внешнюю (размещенную на разнообразных внешних носителях информации). 

Внутренняя память ПК включает в себя оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), Кэш-память,CMOS.

Внешняя память ПК является, как правило, долговременной. Если в оперативной памяти данные хранятся не дольше времени работы программы, то во внешней памяти информация может храниться месяцами и годами. По этой причине устройства внешней памяти называют также накопителями. Ещё одно отличие внешней памяти от оперативной памяти состоит в том, что она является энергонезависимой, то есть при отключении питания данные, содержащиеся во внешней памяти, сохраняются.

Оперативная память. Называется также ОЗУ или RAM (Random Access Memory), т. е. память с произвольным доступом. Этот вид памяти имеет такое название потому, что позволяет не только считывать информацию из памяти по указанным адресам, но и записывать информацию в память (т.е. менять содержимое памяти). Именно с этой памятью процессор постоянно обменивается информацией при решении компьютером каждой конкретной задачи. ОЗУ – быстрая, полупроводниковая, энергозависимая память, реализована на электронных микросхемах. В ОЗУ хранятся исполняемая в данный момент программа и данные, с которыми она непосредственно работает. Оперативная память предназначена для временного хранения информации и программ.

Когда компьютер выключается, всё её содержимое стирается. А что же происходит с данными, которые обрабатывались во время работы компьютера? Они предварительно сохраняются на жестком диске, который является устройством для длительного хранения информации (даже при отсутствии питания). Оперативная память примерно в сотню раз (при равном объеме хранения данных) дороже жесткого диска. Поэтому в системе устанавливают некоторое количество оперативной памяти, которое намного меньше, чем объём современного жесткого диска. Оперативная память измеряется в Мбайтах и Гбайтах. Например, 512Мб, 1024Мб, 1,00 Гб.

32-битная операционная система может адресовать (т.е. может использовать, "видеть") не более 4 ГБ оперативной памяти. Это самое главное отличие, и самое существенное. Если в вашем компьютере установлено, скажем, 2 ГБ, то 32-битная операционная система работает с таким объемом нормально.

Если вы установите 4 ГБ памяти и будете работать под управлением 32-битной ОС, то она просто не увидит такой объем. Все, что она сможет использовать — это примерно 3.5 ГБ из 4 ГБ. Остальной объем она не может предоставить для работающих программ. Разумеется, если вы установите в компьютер 8 ГБ памяти, скажем, и при этом будете оставаться на 32-битной системе, то она так же не увидит более 3.5 ГБ из всего установленного объема.

64-битная операционная система может работать с гораздо большими объемами памяти — до 192 ГБ (для Windows 7). Т.е. если вы, скажем, захотели установить 8 ГБ памяти, то обязательно нужно переходить на 64-битную ОС, в противном случае, вы просто не сможете использовать столь большой доступный объем.

Также ввиду несоответствия интерфейсов памяти и процессора, для совместного взаимодействия им необходим посредник - контроллер памяти. Контроллер памяти в значительной мере определяет скорость обмена с памятью а, значит, и быстродействие всей системы в целом.

В настоящее время, такие контролеры выпускаются не в виде отдельных микросхем, а входят в состав чипсета поэтому, очень важно выбрать "правильный" чипсет. Чем они отличаются друг от друга, или на какие характеристики следует обращать внимание в первую очередь?

Прежде всего - синхронный или асинхронный режим работы. Синхронные чипсеты требуют, чтобы частота памяти совпадала с частой шины. Имея такой чипсет, вы не сможете использовать преимущества процессора с 133 MHz шиной, если у вас установлена память SDRAM PC 100. Асинхронные чипсета выгодно отличаются тем, что позволяют тактировать память "своей" частотой, не обязательно совпадающей с тактовой частотой системной шины. Благодаря этому, они поддерживают практически любые комбинации процессоров и памяти. Согласитесь, - немаловажно для апгрейда. Однако если тактовые частоты системной шины и памяти не могут быть соотнесены как целые числа, возникают штрафные задержки (см. рис. 10), негативно сказывающиеся на производительности.

Второй вид памяти - ПЗУ используется для энергонезависимого хранения системной информации — BIOS, таблиц знакогенераторов и т.д., характеризуется тем, что позволяет только считывать информацию. Именно поэтому такой вид памяти получил в англ. языке название ROM- памяти от ReadOnlyMemory (память только для чтения). Запись в этот вид памяти невозможна. Благодаря этому информация, находящаяся в ROM- памяти, защищена от нарушений и изменений. ПЗУ – быстрая, энергонезависимая память. Информация заносится в неё один раз (обычно в заводских условиях) и сохраняется постоянно (при включенном и выключенном компьютере). В ПЗУ храниться информация, присутствие которой постоянно необходимо в компьютере (встроенный блок ОС).

ПЗУ расположено в верхней памяти, т.е. составляет лишь небольшую часть общего объёма памяти компьютера. Большую часть всего объема памяти компьютера занимает ОЗУ.

Требуемый объем памяти этого типа невелик — например, BIOS PC/XT помещалась в 8 кбайт, в современных компьютерах типовое значение — 128 кбайт – 2 Мбайта. Быстродействие постоянной памяти обычно ниже, чем оперативной. В последние годы постоянную память вытесняет флэш-память, запись в которую возможна в самом компьютере в специальном режиме работы, и другие типы энергонезависимой памяти (EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory - электронно-перепрограммируемая постоянная память), FRAM).

Кэш-память (Cache memory). Кэш-память (сверхоперативная память) - очень быстрое ЗУ, небольшого объема, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разности в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью.

Память конфигурации. Используется в основном для хранения информации о конфигурации компьютера. Традиционная память конфигурации вместе с часами-календарем (CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor)Memory иCMOS Real-Time Clock) имеет объем в несколько десятков байт,ESCD (Extended Static Configuration Data)- область энергонезависимой памяти, используемая для конфигурирования устройств Plug and Play - имеет объем в несколько кбайт. Сохранность данных CMOS-памяти при отключении питания компьютера обеспечивается маломощной внутренней батарейкой или аккумулятором. В качестве полупостоянной применяется и энергонезависимая память -NV RAM (Non-Volatile RAM), которая хранит информацию и при отсутствии питания.

Основная функция внешней памяти компьютера (способность долговременно хранить большие объемы информации).

Устройства внешней памяти различаются, прежде всего, по типу носителя информации, например:

• Жесткие магнитные диски;
• Гибкие магнитные диски (дискеты, давно не используются);
• Оптические компакт-диски (CD-ROM)
• Флеш-память

Жесткий диск(винчестер,HardDisk) - это наиболее распространенное массовое ЗУ большого объема, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые пластины -платтеры- обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Используется для постоянного хранения информации.

Рабочие поверхности платтеров разделены на концентрические кольцевые дорожки, а дорожки на секторы. Несколько секторов жесткого диска образуют кластер. Поверхность платтера покрыта магнитным слоем толщиной 1,1 мм, а также слоем смазки. Винчестер имеет большую емкость от 1 до 300 Гбайт. Такие жёсткие диски часто используются в качестве несъёмного носителя информации. Винчестер вращается непрерывно. Он связан с процессором через контроллер жесткого диска. Все современные накопители снабжаются встроенной кэш.

Оперативная память, жесткий диск и прочие устройства хранения информации в свою очередь подключаются к материнской плате.

2.3 Материнская плата

Материнская (системная) плата (Приложение 8) - главная составная часть компьютера. От ее качества, функциональности и быстродействия напрямую зависит стабильность и скорость работы системы. Материнская плата определяет тип процессора и оперативной памяти, которые могут быть установлены в компьютер. От форм-фактора материнской платы также зависит количество расположенных на ней слотов расширения, интегрированных контроллеров и т. п.

Частота процессора, системной шины и шин периферийных устройств, быстродействие различных компонентов компьютера (процессора, оперативной памяти и контроллеров периферийных устройств) может существенно различаться. Для согласования быстродействия на системной плате устанавливаются специальные микросхемы (чипсеты), включающие в себя контроллер оперативной памяти (так называемый северный мост) и контроллер периферийных устройств (южный мост)

Северный мост обеспечивает обмен информацией между процессором и оперативной памятью по системной шине. В процессоре используется внутреннее умножение частоты, поэтому частота процессора в несколько раз больше, чем частота системной шины. В современных компьютерах частота процессора может превышать частоту системной шины в 10 раз (например, частота процессора 1 ГГц, а частота шины — 100 МГц).

Слоты плат расширений предназначены для установки различных плат расширения, например видеоадаптера, звуковой карты, SCSI-контроллера, модема и т. п.

В настоящее время повсеместно используются AGP-, и PCI– и PCI Express-шина, их слоты можно найти на материнской плате.

На сегодня PCI Express – это самая быстродействующая и функциональная шина, позволяющая устанавливать две видеокарты вместо одной и выводить изображение одновременно на четыре монитора. Геймерам PCI Express в паре с двух– или четырехъядерным процессором позволяет позволяет достичь максимального быстродействия в играх.

К северному мосту подключается шина PCI (Peripherial Component Interconnect bus — шина взаимодействия периферийных устройств), которая обеспечивает обмен информацией с контроллерами периферийных устройств. Частота контроллеров меньше частоты системной шины, например, если частота системной шины составляет 100 МГц, то частота шины PCI обычно в три раза меньше — 33 МГц. Контроллеры периферийных устройств (звуковая плата, сетевая плата, SCSI-контроллер, внутренний модем) устанавливаются в слоты расширения системной платы.

По мере увеличения разрешающей способности монитора и глубины цвета требования к быстродействию шины, связывающей видеоплату с процессором и оперативной памятью, возрастают. В настоящее время для подключения видеоплаты обычно используется специальная шина AGP (Accelerated Graphic Port — ускоренный графический порт), соединенная с северным мостом и имеющая частоту, в несколько раз большую, чем шина PCI.

Южный мост обеспечивает обмен информацией между северным мостом и портами для подключения периферийного оборудования.

Устройства хранения информации (жесткие диски, CD-ROM, DVD-ROM) подключаются к южному мосту по шине UDMA (Ultra Direct Memory Access — прямое подключение к памяти).

Мышь и внешний модем подключаются к южному мосту с помощью последовательных портов, которые передают электрические импульсы, несущие информацию в машинном коде, последовательно один за другим. Обозначаются последовательные порты как СОМ1 и COM2, а аппаратно реализуются с помощью 25-контактного и 9-контактного разъемов, которые выведены на заднюю панель системного блока.

Принтер подключается к параллельному порту, который обеспечивает более высокую скорость передачи информации, чем последовательные порты, так как передает одновременно 8 электрических импульсов, несущих информацию в машинном коде. Обозначается параллельный порт как LPT, а аппаратно реализуется в виде 25-контактного разъема на задней панели системного блока.

К USB-порту можно подключать разнообразные устройства – от мыши до цифровой видеокамеры. Теоретически к одному компьютеру через цепочку концентраторов можно подсоединить до 127 USB-устройств. На практике существует проблема: подключение большого количества устройств требует достаточного запаса мощности блока питания, поэтому к компьютеру, как правило, подключаются только два – принтер и сканер.

Важная особенность USB-портов – поддержка технологии plug and play: все присоединенные к USB-порту устройства конфигурируются автоматически, то есть для них не нужно устанавливать драйверы, компьютер сделает это сам.

Обычно на материнской плате присутствуют не менее двух USB-портов. На хороших материнских платах их может быть шесть-восемь.

PS/2 – параллельный порт, используемый для подключения мыши и клавиатуры. По функциональности он практически идентичен COM-порту, однако он быстрее и компактнее.

IEEЕ1394, или FireWire, – последовательный порт, способный передавать данные со скоростью более 400 Мбит/с, который используется для подключения к компьютеру цифровых видеоустройств, требующих максимально быстрой передачи большого объема информации. Часто к такому порту подсоединяют беспроводные сетевые адаптеры (карты, мосты, маршрутизаторы, точки доступа и т. п.).

Порты FireWire бывают двух типов. В большинстве настольных компьютеров используются шестиконтактные, а в ноутбуках – четырехконтактные

Ethernet-порт, предназначенный для подсоединения компьютера к локальной сети. На любой материнской плате присутствует интегрированный сетевой контроллер, рассчитанный на подключение сетевого кабеля с разъемом RJ-45. Такой контроллер способен обеспечивать функционирование сети со скоростью 10/100 Мбит/с, хотя все чаще встречаются контроллеры со скоростью работы 100/1000 Мбит/с сетевого стандарта Ethernet 802.3 (проводная сеть). Выпускаются материнские платы, имеющие два интегрированных сетевых контроллера

Слоты оперативной памяти предназначены для установки модулей оперативной памяти. Разъемы могут иметь разное количество контактов, что зависит от типа поддерживаемой оперативной памяти, и снабжаются специальными защелками, которые удерживают модули в слоте.

Производители оснащают материнские платы различным количеством слотов для памяти (как правило, не менее двух). Более дорогие материнские платы имеют четыре или шесть разъемов 

Микросхема BIOS. BIOS (Basic Input/Output System – базовая система ввода/вывода) – это программное обеспечение, которое начинает работать сразу после включения компьютера. В BIOS содержатся параметры конфигурации и настройки материнской платы и всех установленных и подключенных к ней устройств.

Как правило, BIOS хранится в одной микросхеме, хотя на многих современных материнских платах присутствуют две. Это подстраховка – данное сочетание позволяет загрузить компьютер в случае, если какая-то из микросхем будет повреждена, а также скопировать содержимое одной на другую (например, после неудачной перепрошивки можно восстановить главную BIOS из резервной копии).

Аккумуляторная батарея питает CMOS-память, в которой хранятся настройки пользователя, сделанные с помощью BIOS Setup.

Батарея имеет плоскую форму и похожа на таблетку. Для ее установки предназначено специальное гнездо с защелкой.

Срок службы хорошей аккумуляторной батареи - не менее трех лет.

К выбору материнской платы необходимо подходить продуманно, поскольку именно от нее зависит не только работа остальных устройств, но и возможность дальнейшей модернизации компьютера.

Немаловажную роль в функционировании ПК играет микропроцессор.

2.4 Микропроцессор

Микропроцессор - центральное устройство (или комплекс устройств) ЭВМ (или вычислительной системы), которое выполняет арифметические и логические операции, заданные программой преобразования информации, управляет вычислительным процессом и координирует работу устройств системы (запоминающих, сортировальных, ввода — вывода, подготовки данных и др.). В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называют многопроцессорными. Наличие нескольких процессоров ускоряет выполнение одной большой или нескольких (в том числе взаимосвязанных) программ. Основными характеристиками микропроцессора являются быстродействие и разрядность. Быстродействие - это число выполняемых операций в секунду. Разрядность характеризует объём информации, который микропроцессор обрабатывает за одну операцию: 8-разрядный процессор за одну операцию обрабатывает 8 бит информации, 32-разрядный - 32 бита, 64-разрядный – 64 бита. Скорость работы микропроцессора во многом определяет быстродействие компьютера. Он выполняет всю обработку данных, поступающих в компьютер и хранящихся в его памяти, под управлением программы, также хранящейся в памяти. Персональные компьютеры оснащают центральными процессорами различных мощностей.

Функции процессора:

• обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;
• программное управление работой устройств компьютера.

Модели процессоров включают следующие совместно работающие устройства:

Устройство управления (УУ). Осуществляет координацию работы всех остальных устройств, выполняет функции управления устройствами, управляет вычислениями в компьютере.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Так называется устройство для целочисленных операций. Арифметические операции, такие как сложение, умножение и деление, а также логические операции (OR, AND, ASL, ROL и др.) обрабатываются при помощи АЛУ. Эти операции составляют подавляющее большинство программного кода в большинстве программ. Все операции в АЛУ производятся в регистрах - специально отведенных ячейках АЛУ. В процессоре может быть несколько АЛУ. Каждое способно исполнять арифметические или логические операции независимо от других, что позволяет выполнять несколько операций одновременно. Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические действия. Логические операции делятся на две простые операции: "Да" и "Нет" ("1" и "0"). Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.

AGU (Address Generation Unit) - устройство генерации адресов. Это устройство не менее важное, чем АЛУ, т.к. оно отвечает за корректную адресацию при загрузке или сохранении данных. Абсолютная адресация в программах используется только в редких исключениях. Как только берутся массивы данных, в программном коде используется косвенная адресация, заставляющая работать AGU.

Математический сопроцессор (FPU). Процессор может содержать несколько математических сопроцессоров. Каждый из них способен выполнять, по меньшей мере, одну операцию с плавающей точкой независимо от того, что делают другие АЛУ. Метод конвейерной обработки данных позволяет одному математическому сопроцессору выполнять несколько операций одновременно. Сопроцессор поддерживает высокоточные вычисления как целочисленные, так и с плавающей точкой и, кроме того, содержит набор полезных констант, ускоряющих вычисления. Сопроцессор работает параллельно с центральным процессором, обеспечивая, таким образом, высокую производительность. Система выполняет команды сопроцессора в том порядке, в котором они появляются в потоке. Математический сопроцессор персонального компьютера IBM PC позволяет ему выполнять скоростные арифметические и логарифмические операции, а также тригонометрические функции с высокой точностью.

Дешифратор инструкций (команд). Анализирует инструкции в целях выделения операндов и адресов, по которым размещаются результаты. Затем следует сообщение другому независимому устройству о том, что необходимо сделать для выполнения инструкции. Дешифратор допускает выполнение нескольких инструкций одновременно для загрузки всех исполняющих устройств.

Кэш-память. Особая высокоскоростная память процессора. Кэш используется в качестве буфера для ускорения обмена данными между процессором и оперативной памятью, а также для хранения копий инструкций и данных, которые недавно использовались процессором. Значения из кэш-памяти извлекаются напрямую, без обращения к основной памяти. При изучении особенностей работы программ было обнаружено, что они обращаются к тем или иным областям памяти с различной частотой, а именно: ячейки памяти, к которым программа обращалась недавно, скорее всего, будут использованы вновь. Предположим, что микропроцессор способен хранить копии этих инструкций в своей локальной памяти. В этом случае процессор сможет каждый раз использовать копию этих инструкций на протяжении всего цикла. Доступ к памяти понадобиться в самом начале. Для хранения этих инструкций необходим совсем небольшой объём памяти. Если инструкции в процессор поступают достаточно быстро, то микропроцессор не будет тратить время на ожидание. Таким образом экономиться время на выполнение инструкций. Но для самых быстродействующих микропроцессоров этого недостаточно. Решение данной проблемы заключается в улучшении организации памяти. Память внутри микропроцессора может работать со скоростью самого процесс

Кэш первого уровня (L1 cache). Кэш-память, находящаяся внутри процессора. Она быстрее всех остальных типов памяти, но меньше по объёму. Хранит совсем недавно использованную информацию, которая может быть использована при выполнении коротких программных циклов.

Кэш второго уровня (L2 cache). Также находится внутри процессора. Информация, хранящаяся в ней, используется реже, чем информация, хранящаяся в кэш-памяти первого уровня, но зато по объёму памяти он больше. Также в настоящее время в процессорах используется кэш третьего уровня.

Основная память. Намного больше по объёму, чем кэш-память, и значительно менее быстродействующая.

Многоуровневая кэш-память позволяет снизить требования наиболее производительных микропроцессоров к быстродействию основной динамической памяти. Так, если сократить время доступа к основной памяти на 30%, то производительность хорошо сконструированной кэш-памяти повыситься только на 10-15%. Кэш-память, как известно, может достаточно сильно влиять на производительность процессора в зависимости от типа исполняемых операций, однако ее увеличение вовсе не обязательно принесет увеличение общей производительности работы процессора. Все зависит от того, насколько приложение оптимизировано под данную структуру и использует кэш, а также от того, помещаются ли различные сегменты программы в кэш целиком или кусками.

Кэш-память не только повышает быстродействие микропроцессора при операции чтения из памяти, но в ней также могут храниться значения, записываемые процессором в основную память; записать эти значения можно будет позже, когда основная память будет не занята. Такая кэш-память называется кэшем с обратной записью (write back cache). Её возможности и принципы работы заметно отличаются от характеристик кэша со сквозной записью (write through cache), который участвует только в операции чтения из памяти.

Шина - это канал пересылки данных, используемый совместно различными блоками системы. Шина может представлять собой набор проводящих линий в печатной плате, провода, припаянные к выводам разъемов, в которые вставляются печатные платы, либо плоский кабель. Информация передается по шине в виде групп битов. В состав шины для каждого бита слова может быть предусмотрена отдельная линия (параллельная шина), или все биты слова могут последовательно во времени использовать одну линию (последовательная шина). К шине может быть подключено много приемных устройств - получателей. Обычно данные на шине предназначаются только для одного из них. Сочетание управляющих и адресных сигналов, определяет для кого именно. Управляющая логика возбуждает специальные стробирующие сигналы, чтобы указать получателю, когда ему следует принимать данные. Получатели и отправители могут быть однонаправленными (т.е. осуществлять только либо передачу, либо прием) и двунаправленными (осуществлять и то и другое). Однако самая быстрая процессорная шина не сильно поможет, если память не сможет доставлять данные с соответствующей скоростью. Типы шин подробно расписаны во введении данной курсовой.

BTB (Branch Target Buffer) - буфер целей ветвления. В этой таблице находятся все адреса, куда будет или может быть сделан переход. Процессоры Athlon еще используют таблицу истории ветвлений (BHT - Branch History Table), которая содержит адреса, по которым уже осуществлялись ветвления.

Регистры - это внутренняя память процессора. Представляют собой ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, а также внутренние носители информации микропроцессора. Регистр является устройством временного хранения данных, числа или команды и используется с целью облегчения арифметических, логических и пересылочных операций. Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, "вырезать" отдельные части команды для последующего их использования или выполнять определенные арифметические операции над числами. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд). Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления. Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций.

Что такое микропроцессоры и что лежит в основе их функционирования – мы это рассмотрели. Конечно, чтобы разобрать во всех нюансах данные устройства, необходимо посвятить много времени и ознакомиться не с одной книгой и сборником лекций. Но основные знания по данной теме у нас есть.

Заключение

Человечество не стоит но месте, причем прогресс идет семимильными шагами. Новые технологии зарождаются ежедневно в лабораториях, в том числе и компьютерные технологии.

Гибкость архитектуры современных ПК позволяет организациям и компаниям различных типов достаточно быстро и без больших финансовых затрат приспосабливаться к любым изменениям, сохраняя вложения в предыдущие технологии. Модель системы на базе ПК обеспечивает оптимальное сочетание производительности, стоимости и гибкости в рамках организаций разных типов.

Ситуация в мире требует новой модели взаимодействия человека с компьютером - модели упреждающих вычислений. Эта модель предполагает, что компьютеры будут предугадывать наши потребности и даже заранее реагировать на них в наших интересах. С некоторыми компьютерами мы будем продолжать взаимодействовать непосредственно, но большинство будут встроены в окружающую нас физическую среду, где они будут собирать и обрабатывать информацию без какого-либо вмешательства человека. Реализация модели упреждающих вычислений повлечет за собой новый цикл повышения продуктивности и качества нашей жизни.

Список использованной литературы

Книги одного и более авторов:

1. Архитектура ПК, комплектующие, мультимедиа. – Рудометов Е., Рудометов В. Санкт-Петербург, 2000.
2. Информатика и информационные технологии / Под ред. Ю.Д. Романовой. – Москва. 2008.
3. Введение в архитектуру ЭВМ и системы программирования. – В.Г. Баула. Москва. 2003.
4. Архитектура компьютера. – В.Н. Локтюхин. Рязань. 2008

Публикации в сети Интернет

1. https://ru.wikipedia.org/
2. http://hardvision.ru/
3. http://www.ixbt.co