Внутренняя архитектура пк кратко

Обновлено: 04.07.2024

Архитектурой ПК (персонального компьютера) принято называть совокупность структуры, отражающей состав и обслуживающее ПО. Структурой называется комплекс функциональных систем ПК и их связующих элементов.

Особенности архитектуры являются определяющими факторами при рассмотрении принципов действия ПК, программно-информационных связей и последовательности соединения всех узлов логики компьютера. К узлам логики относят: ОЗУ (оперативная память), ЦП (центральный процессор), внешнее устройство памяти (жесткий диск), графический модуль (видеокарта), периферийные модули. Основным, принципиальным элементом архитектуры любого ПК, являются блоки программного управления.

Классическая архитектура фон Неймана

Группа ученых, в составе которой были американцы Г.Голдштейн, Дж. фон Нейман и А. Беркс, в 1946 году провели колоссальную работу по разработке новых принципов и архитектуры ЭВМ. Работа математиков легла в основу при создании компьютеров первого и второго поколений. Принципы фон Неймана были сохранены, хоть и существенно видоизменились, во время работ по созданию машин следующих поколений.

Основные принципы фон Неймана:

Интеграция методов двоичного счисления позволила упростить работу устройств и сделать ее выполнение гораздо быстрее, чем это было при использовании десятичной системы.

Программное управление ПК

Функционал ПК зависит от исправной работы программного обеспечения. Программа, управляющая компьютерной системой представляет собой набор последовательно исполняющихся команд. Проблема низких показателей быстродействия, актуальная для ранних ПК, была решена интеграцией модуля памяти, применяемого для записи программных данных. Кодированные в двоичной системе данные и командные коды, расположены в пронумерованных адресных блоках. Возможность быстрого доступа к адресной ячейки сделало возможной работу в переменных программных средах.

Условный переход при исполнении программы

По умолчанию программные компоненты имеют последовательную модель исполнения, но существует возможность реализации перехода к любому месту кода. Главным преимуществом подобного механизма стало превращение программного продукта из постоянной величины в изменяемую, аппаратная же часть осталась статичной и достаточно простой.

Фон Нейман предложил собственную структура персонального компьютера (рис. 1).

В состав ПК предложенного математиком входили:

Устройство памяти или ЗУ;
Устройство исполнения арифметико-логических задач или АЛУ;
Управляющее устройство (УУ) задействованное в работе по координации работы узловых элементов ПК;
Периферийные устройства ввода/вывода.

В данной модели ПК любой тип данных вводится в устройство запоминания опосредованно через АЛУ посредствам устройств ввода/вывода. Программные команды фиксируются последовательно в блоках памяти, тогда как обрабатываемые данные записываются в блоках произвольно.

Простейшая команда содержала в себе информацию об операции требующей выполнения и адресов памяти, хранящей данные требуемые для выполнения данной операции. Кроме этого в команде прописывались адреса блоков памяти доступных для сохранения результата выполнения команды. Арифметико-логическое устройство выводило обработанные данные в устройство запоминания или в выводное устройство. Существенным отличием систем подобного рода является форма данных удобная для сохранения и обработки, а также для восприятия человека при передачи на устройство вывода (печатающее устройство или монитор).

Выполнение операции осуществляется аппаратная оснастка компьютера или АЛУ. По завершению выполнения команд значение счетчика увеличивается на единицу, что является сигналом для запуска следующей команды. При необходимости запуска команд без стандартной очередности, запускается команда переадресации, содержащая целевой адрес ячейки запуска управляющей команды.

Архитектура современных ПК

Современные компьютеры имеют магистрально-модульный тип архитектуры, то есть состоят из относительно самостоятельных компонентов, связанных между собой через ЦП.

Принцип модульности позволяет осуществлять произвольную комплектацию ПК устанавливая совместимые компоненты. Кроме этого современные ПК имеют возможность модернизации и улучшения. В данной системе функционирует магистральный тип обмена информацией. Для обеспечения взаимосвязи компонентов ПК используется магистральная шина, располагаемая на материнской плате в виде печатной платы. Преимуществом подобного вида ПК является возможность добавления или замены комплектующих.

Благодаря принципиальным переменам в архитектуре ПК произошло значительное повышение скорости обработки и обмена информации. Считываемая информация хранится в системной памяти, что позволяет работать напрямую с ЦП и значительно ускоряет работу ПК в целом. Максимум быстродействия ограничен скоростью обработки данных самой магистрали, чем выше данный показатель, тем выше скорость работы ПК в целом.

Для решения вопроса предпринято следующее:

Многопроцессорная архитектура ПК

Существуют компьютеры с несколькими процессорами, работающими параллельно. Такие ПК называются многопроцессорными и используются при необходимости обработать очень большой объем информации за максимально короткое время.

Многомашинная вычислительная система

Архитектура с параллельными процессорами

Подобная система работает под управлением одного УУ, взаимодействующего с несколькими АЛУ. Подобный принцип позволяет обрабатывать большой объем информации в одном потоке. Актуален данный принцип только при выполнении однотипных задач с различным набором данных.

В настоящее время встречаются более сложные архитектурные решения, а также вариации ПК, в которых применяется несколько классических архитектурных принципов.

Внутренняя архитектура компьютера — это структура составляющих его компонентов, их взаимосвязи и устройство.

Общие сведения

Под архитектурой понимается концепция, которая определяет модельную структуру, набор выполняемых функций и взаимные связи составляющих элементов компьютера.

Базовая система для ввода и вывода информации является комплектом основных программ, предназначенных для контроля аппаратуры в период запуска, для запуска операционной системы, а также для обеспечения информационного обмена между блоками компьютерной системы. Базовая система ввода-вывода записана в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и поэтому все, входящие в её состав программы, выполняются при включении питания компьютера.

Программы базовой системы для ввода и вывода информации влияют на основную производительность компьютера, практически всегда они скрыты от пользователя, и он не имеет к ним доступа.

Внутренняя архитектура компьютера: сущность и структура

Под асинхронной формой связи понимается передача информационных данных через неопределённые заранее временные промежутки и за один сеанс передаётся один символ. Поскольку информация передаётся через неопределённые промежутки времени, то для определения начала передачи кода и его окончания служат специальные команды, стартовый и стоповый биты.

Беспроводная связь — это обмен данными между компьютерами или устройствами на их основе без применения проводного соединения. Одним из вариантов такой связи, который поддерживается операционной системой Windows, является передача информации посредством инфракрасных лучей. Наиболее распространена связь с применением радиосигналов.

Внутренняя архитектура компьютера зависит от используемого в его основе набора интегральных микросхем (чипсета), которые спроектированы для совместного решения комплекса поставленных задач или операций. То есть в компьютерных системах чипсет является связующим элементом, который обеспечивает согласованную работу блоков памяти, центрального процессора, ввода и вывода информации и остальных блоков. Условия выбора набора микросхем определяются центральным процессором и далее они определяют уже характеристики внешних устройств.

Готовые работы на аналогичную тему

В информационных данных всех процессоров содержатся сведения о том, с каким набором микросхем (чипсетом) способен функционировать данный процессор. К примеру, процессор Core 2 Duo рассчитан на работу с чипсетом Intel® P965 Express и, соответственно, с материнскими платами, использующими данный чипсет.

Под материнской платой понимается конструкция, состоящая из печатной платы с многослойным печатным монтажом, на которой располагаются все главные составляющие элементы персональных компьютеров, а именно микросхемы:

центрального процессора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ),
постоянного запоминающего устройства (ПЗУ),
микроконтроллеров основных интерфейсных блоков ввода и вывода данных.

На материнской плате расположен также комплект разъёмов, что даёт возможность подключить другие дополнительные микроконтроллеры посредством специальных шин обмена данными (USB, PCI, PCI-Express).

Оперативное запоминающее устройство предназначается для оперативного (временного) сохранения информации и команд, которые нужны центральному процессору для осуществления необходимых операционных действий. Обмен данными с центральным процессором оперативная память выполняет через специальную память кеш или напрямую без посредничества. Всем ячейкам оперативной памяти присваивается личный адресный код. Блок оперативной памяти может быть выполнен в виде отдельной платы, или находиться в составе структуры однокристальной электронной вычислительной машины, или в микроконтроллере.

В постоянное запоминающее устройство записано программное обеспечение, которое запускается на выполнение непосредственно после включения питания. Чаще всего, ПЗУ загрузки имеет в своём составе базовую систему ввода-вывода (BIOS), но возможны и другие варианты программного обеспечения.

В состав архитектуры компьютера входит также центральное вычислительное устройство или просто центральный процессор, который является исполнительным механизмом всех операций и процедур, задаваемых программным обеспечением.

Сегодня центральные процессоры, как правило, реализованы на одной микросхеме, выполняющей все необходимые функции и называемой микропроцессором. Начиная примерно с середины восьмидесятых годов двадцатого века микропроцессоры стали повсеместно использоваться как центральные процессоры и эти термины практически сегодня стали синонимами. Но на самом деле и на сегодняшний день существуют такие суперкомпьютеры, центральные процессоры которых состоят из набора больших и сверхбольших интегральных микросхем. В прошлом центральные процессоры проектировались как комплектующие конкретных компьютерных комплексов, систем и были по-своему уникальны. Затем промышленные компании, выпускающие компьютеры, начали серийно изготавливать типовые классы процессорных блоков многоцелевого назначения, что экономически было существенно выгоднее. Направление на выработку стандартов для компьютерной комплектации появилось во время стремительного прогресса полупроводников, а с ростом выпуска интегральных микросхем набрало ещё большую популярность. Технология микросхем дала возможность в разы нарастить сложность центральных процессоров и при этом существенно уменьшить их геометрические размеры.

Под видеокартой понимается блок (чаще всего в виде отдельной платы), который преобразует файлы изображений, хранящихся в устройствах памяти, в сигнал в формате видео, поступающий далее на дисплей. Как правило, платы видеокарт вставляются в специальный разъём на материнской плате, но есть исполнения, где видеокарта входит в состав материнской (системной) платы. Сегодня видеокарта — это не только вывод изображений на экран монитора, но и дополнительная обработка файлов с помощью графических микропроцессоров, снимая с центрального процессора выполнение этой задачи.

Архитектура компьютера – это логическая организация и структура аппаратных и программных ресурсов вычислительной системы. Архитектура заключает в себе требования к функциональности и принципы организации основных узлов ЭВМ.

Используя аналогию с градостроительством, естественно понимать под архитектурой ЭВМ ту совокупность их характеристик, которая необходима пользователю. Это, прежде всего, основные устройства и блоки ЭВМ, а также структура связей между ними. И действительно, если заглянуть, например в "Толковый словарь по вычислительным системам", мы прочтем там, что термин "архитектура ЭВМ используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных логических узлов ЭВМ(вследствие чего термин "архитектура" оказывается ближе к обыденному значению этого слова)".

Обычно под архитектурой ПК понимают их организацию с точки зрения пользователя, т.е. весь комплекс программных и аппаратных средств, обеспечивающих процесс программирования задач и их решения на компьютерах. Описание архитектуры включает в себя информацию о пользовательских возможностях программирования, системы команд, структуры центрального процессора и организации памяти, а также описание аппаратных средств, входящих в состав ПК, набора внешних устройств и способов связи с ними.

ПК представляет собой некоторый комплекс взаимосвязанных устройств, каждый из которых выполняет определенную функцию. Минимальная конфигурация компьютера, т.е. такой набор элементов, без которого работа с ПК становится бессмысленной (базовый набор), включает в себя системный блок, монитор, клавиатуру.

Внешняя и внутренняя архитектура ПК.

Внешняя архитектура:

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.

Монитор, дисплей — универсальное устройство визуального отображения всех видов информации.

Клавиатура — одно из основных устройств ввода информации от пользователя в компьютер.

Принтер — устройство печати цифровой информации на твёрдый носитель, обычно на бумагу.

Сканер — устройство, которое, анализируя какой-либо объект (обычно изображение, текст), создаёт цифровую копию изображения объекта.

Акустическая — устройство для воспроизведения звука.

Внутренняя архитектура ПК:

Чипсет — набор микросхем, спроектированных для совместной работы с целью выполнения набора каких-либо функций.

Материнская плата — это сложная многослойная печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера (центральный процессор, контроллер ОЗУ и собственно ОЗУ, загрузочное ПЗУ, контроллеры базовых интерфейсов ввода-вывода).

Оперативная память — в информатике — память, часть системы памяти ЭВМ, в которую процессор может обратиться за одну операцию.

Центральный процессор — исполнитель машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающий за выполнение операций, заданных программами.

Видеокарта — устройство, преобразующее изображение, находящееся в памяти компьютера, в видеосигнал для монитора.

Звуковая карта — это плата, которая позволяет работать со звуком на компьютере.

Накопитель на жёстких магнитных дисках или НЖМД (Disk Drive, HDD, HMDD) — устройство хранения информации, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.

Сетевая плата, сетевая карта, сетевой адаптер — периферийное устройство, позволяющее компьютеру взаимодействовать с другими устройствами сети.

Модем — устройство, применяющееся в системах связи и выполняющее функцию модуляции и демодуляции.

Компьютерный блок питания — блок питания, предназначенный для снабжения узлов компьютера электрической энергией.

Дисковод — электромеханическое устройство, позволяющее осуществить чтение/запись информации на цифровые носители имеющие форму диска.

Система охлаждения компьютера — набор средств для отвода тепла (по сути охлаждения) в компьютере.

ТВ-тюнер — род телевизионного приёмника (тюнера), предназначенный для приёма телевизионного сигнала в различных форматах вещания с показом на мониторе компьютера.

Компьютер – это многофункциональное электронное устройство, предназначенное для накопления, обработки и передачи информации. В этом уроке рассматривается магистрально-модульный принцип построения компьютера, основные логические узлы компьютера, а также, какие устройства находятся на материнской плате, и многое другое.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока "Архитектура персонального компьютера"

На этом уроке мы с вами познакомимся с магистрально-модульным принципом построения компьютера, узнаем, что относится к основным логическим узлам компьютера, рассмотрим, какие устройства находятся на материнской плате, и многое другое.

Компьютер – это многофункциональное электронное устройство, предназначенное для накопления, обработки и передачи информации.

К основным логическим узлам компьютера относятся центральный процессор, основная память, внешняя память, периферийные устройства.

Персональные компьютеры начали появляться благодаря развитию микропроцессоров в 1980-х годах.

Архитектура персонального компьютера – это логическая организация, структура и ресурсы, то есть средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определённый интервал времени.

В основе архитектуры современных персональных компьютеров лежит магистрально-модульный принцип. Давайте рассмотрим рисунок.

Итак, перед вами изображена архитектура персонального компьютера. На ней изображены функциональные блоки персонального компьютера, к которым относятся устройства ввода/вывода, внешние запоминающие устройства, центральный процессор, память и видеопамять. Все эти блоки соединены между собой информационной магистралью, которая называется системной шиной. Она состоит из трёх частей: шина данных, шина адреса, шина управления. Шина данных используется для передачи данных к функциональным блокам. Шина адреса предназначена для передачи адресов устройств, которым передаются данные. И последняя, шина управления используется для передачи управляющих сигналов, которые синхронизируют работу разных устройств. То есть через шину передаются все данные от одного устройства к другому.

Также на рисунке у нас есть такие элементы, как контроллеры. Контроллеры – это периферийные устройства, которые управляют внешними устройствами. Передача всех данных осуществляется через шину.

Также мы можем видеть на рисунке сплошные и пунктирные стрелки. Сплошными стрелками изображены направления потоков информации, а пунктирными – направление управляющих сигналов.

В этой архитектуре существует такое значительное достоинство, как принцип открытой архитектуры. То есть мы можем подключать к компьютеру новые устройства или заменять старые на более современные. Для каждого типа и модели устройства используется свой контроллер.

Например, если мы подключим компьютерную мышь через USB-порт, то она определится у нас на компьютере только после установки в операционную систему специальной программы для управления этим устройством. Такие программы называются драйверами устройств.

Таким образом, можно сформулировать следующее определение: открытая архитектура персонального компьютера – это архитектура, предусматривающая модульное построение компьютера с возможностью добавления и замены отдельных устройств.

Это то, что касается принципов обмена информацией между устройствами.

Материнская плата – это сложная многослойная печатная плата, являющаяся основой построения вычислительной системы.

Изначально дополнительные устройства (например, внутренний модем, сетевой адаптер беспроводной связи Wi-fi, звуковая плата и так далее) подключались к материнской плате с помощью слотов расширения и разъёмов.

В наше время такая необходимость отпала, так как большинство дополнительных устройств уже встроены в современные материнские (системные) платы.

Основными (несъёмными) частями материнской платы являются разъём процессора, разъёмы оперативной памяти, микросхемы чипсета, загрузочное ПЗУ, контроллеры шин и их слоты расширения, контроллеры и интерфейсы периферийных устройств.

Важнейшей частью материнской платы является чипсет. Чипсет – это набор микросхем, который связывает память, процессор, видеоадаптер, устройства ввода/вывода и другие элементы персонального компьютера, для выполнения совместных функций.

В современных компьютерах находятся две основные большие микросхемы чипсета: контроллер-концентратор памяти (северный мост) и контроллер-концентратор ввода/вывода (южный мост).

Давайте рассмотрим схему архитектуры персонального компьютера.

Северный мост отвечает за работу процессора с оперативной памятью и видеосистемой. От его параметров (тип, частота, пропускная способность) зависят параметры подключённых к нему устройств: системной шины, оперативной памяти, видеоадаптера. Северный мост подключается напрямую к центральному процессору через системную шину.

Южный мост обеспечивает работу с внешними устройствами и обычно подключается к центральному процессору через северный мост при помощи внутренней шины.

Все устройства компьютера соединены между собой шинами различных видов.

Быстродействие процессора, оперативной памяти и периферийных устройств существенно различаются. Быстродействие устройства, в свою очередь, зависит от тактовой частоты обработки данных, которая обычно измеряется в мегагерцах, и разрядности. Разрядность – это количество битов данных, обрабатываемых за один такт. Такт – это промежуток времени между подачами электрических импульсов, которые синхронизируют работу устройств компьютера.

Пропускная способность шины – это скорость передачи данных между устройствами, которые она соединяет. А исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что скорость передачи данных различных шин будет также отличаться. Рассмотрим формулу для вычисления пропускной способности шины (измеряется в битах в секунду). Она равна произведению разрядности шины и частоты шины. Разрядность измеряется в битах, частота – в герцах, в свою очередь, 1 герц равен 1 такту в секунду.

Например, для быстрой работы компьютера пропускная способность шины оперативной памяти должна совпадать с пропускной способностью шины процессора.

Как говорилось ранее, Северный мост связан с процессором системной шиной. Например, если разрядность системной шины составляет 64 бита, а частота – 1066 МГц, то пропускная способность будет равна:

64 · 1066 = 68 224 Мбит/с ≈ 66,6 Гбит/с ≈ 8 Гбайт/с.

Перейдём к частоте процессора. Тактовая частота процессора показывает, сколько процессор может произвести вычислений в единицу времени. Из этого следует вывод, что чем больше частота, тем больше операций в единицу времени может выполнить процессор. Тактовая частота современных процессоров составляет от 1 до 4 ГГц. Рассмотрим формулу. Тактовая частота равна произведению внешней или базовой частоты на определённый коэффициент. Коэффициент зависит от характеристик процессора. Например, процессор Intel Core i7 920 использует частоту шины 133 МГц и множитель 20. Значит, тактовая частота будет равна:

133 · 20 = 2660 МГц.

Шина памяти соединяет оперативную память и северный мост, и, соответственно, служит для передачи данных между этими устройствами.

Частота шины памяти может быть больше частоты системной шины.

Следующая шина, которую мы рассмотрим, – PCI Express. Она соединяет видеоплату с северным мостом.

Так как в наше время очень быстро развивается компьютерная графика, то потребность в скорости передачи данных от видеоплаты к оперативной памяти и процессору возрастает. Наибольшее распространение получила шина PCI Express – это ускоренная шина взаимодействия периферийных устройств. Её пропускная способность может достигать до 32 гигабайт в секунду.

К самой же видеоплате с помощью аналогового разъёма VGA (графический адаптер) или цифрового разъёма DVI (цифровой видеоинтерфейс) подключается монитор или проектор.

Жёсткие диски, CD-дисководы, DVD-дисководы подключаются к южному мосту при помощи шины SATA – это последовательная шина подключения накопителей.

Скорость передачи данных по ней может достигать 300 Мбайт в секунду.

Для подключения периферийный устройств (принтера, клавиатуры, сканера и других), которые имеют USB-выход, к южному мосту используется шина USB – это универсальная последовательная шина.

Её пропускная способность достигает 60 Мегабайт в секунду. При помощи шины USB к компьютеру можно одновременно подключить до 127 периферийных устройств.

При увеличении производительности процессора происходит увеличение производительности самого компьютера.

Увеличение производительности процессора происходит за счёт увеличения частоты. Но, как говорится, всему есть свой предел. При увеличении частоты процессора происходит также увеличение тепловыделения, которое не может быть не ограниченным. Выделение процессором теплоты Q пропорционально потребляемой мощности P, которая, в свою очередь, пропорциональна квадрату частоты.

Поэтому для того, чтобы увеличить производительность процессора, начали увеличивать количество ядер процессора (арифметических логических устройств).

В 2005 году был создан первый двухъядерный микропроцессор. Это сделали практически одновременно две фирмы – Intel и AMD. Такая архитектура позволяет производить на персональном компьютере параллельную обработку данных, что существенно увеличивает его производительность. Можно сказать, что в архитектуре находятся 2 центральных процессора, работа которых согласована между собой, и они объединены между собой, например, контроллером. За счёт этого поток данных идёт не к одному центральному процессору, а разделяется на два. И увеличивается быстродействие компьютера.

В настоящее время количество ядер в микропроцессорах достигает 8.

А сейчас пришло время подвести итоги урока.

Сегодня мы с вами познакомились с магистрально-модульным принципом построения компьютера. Рассмотрели, какие устройства находятся на материнской плате. А также подробно ознакомились с архитектурой персонального компьютера.

Читайте также: