Архитектура компьютера: структура

Основным предназначением компьютера является приём информационных данных, их расшифровка и анализ, сохранение в памяти нужной информации, выполнение над ней разнообразных операций и вывод итогов в удобной пользователю форме. То есть он должен выполнить главные принципы работы с информацией, а именно ввод, сохранение, переработка, вывод. Для разрешения этих проблем требуются технические и программные средства. Набор технического оборудования называется аппаратным обеспечением, комплекс программных средств называется программным обеспечением.

Аппаратное обеспечение

Персональный компьютер включает в свой состав следующие главные блоки:

1. Основной блок памяти.
2. Процессорный блок.
3. Комплект периферийных блоков.

Все блоки соединены друг с другом системной шиной (магистралью), которая обеспечивает информационные потоки среди них. Основополагающей архитектурной структурой сегодняшних персональных компьютеров является магистральный и модульный способы организации его работы. Модульность устройства даёт возможность пользователю самостоятельно выполнить необходимую комплектацию системы и при желании её модернизировать. Блочная структура персональных компьютеров базируется на магистральном (при помощи общей шины) принципе коммуникации между модулями. Системная шина состоит из трёх многоразрядных шинных структур:

1. Шина данных.
2. Шина адреса.
3. Шина управления.

Каждая шина состоит из некоторого количества линий (физических проводов). По шине данных производится передача информационных данных между разными модулями. Направление обмена может быть взаимным, к примеру, информация считывается из памяти и пересылаются процессору, который выполняет их обработку и итоговые результаты снова передаёт в модуль оперативной памяти для сохранения. Число разрядов шины данных соответствует процессорному числу разрядов, а именно их количеству, обрабатываемому процессором за каждый такт. Непрерывный прогресс в компьютерной области влечёт за собой постоянный рост разрядности процессора и на сегодня она равна 64 –м битам.

По адресной шине процессором выбирается блок или ячейка памяти, с которыми будет выполнен информационный обмен данными. Каждый блок, как и ячейка оперативной памяти обладают своим конкретным адресом. Код адреса пересылается по шине адреса, при этом направление передачи информации по ней всегда в одну сторону, то есть от процессора к блокам или оперативной памяти (шина одного направления). Число разрядов шины адреса формирует область адресного процессорного пространства, другими словами число ячеек оперативной памяти, имеющих свои адреса.

Шина управления служит для передачи сигналов, которые определяют тип обмена информацией по системной шине. То есть они назначают тип выполняемой операции (чтение или сохранение данных), выполняют синхронизацию процедуры информационного обмена модулей и так далее.

Структура системного блока компьютера

Все главные элементы персонального компьютера расположены в системном блоке, а именно это:

1. Материнская (системная) плата.
2. Оперативная память.
3. Накопители информационных данных (жёсткие диски и другие устройства).
4. Блок питания.

Главным модулем аппаратуры компьютера считается материнская плата. На ней расположена системная шина, по которой выполняется обмен информационными данными, разъёмы для процессора и оперативной памяти, разъёмы для микроконтроллеров периферийных модулей. Частота работы процессора, системной магистрали (шины) и шин внешних модулей практически всегда отличаться друг от друга. Для того, чтобы согласовать частоты разных устройств на материнской плате есть микросхемы, которые образуют микроконтроллер оперативной памяти (его термин «северный мост») и микроконтроллер блоков периферии («южный мост»). Северный мост призван обеспечить информационный обмен между оперативной памятью и процессором по системной шине. Внутри микросхемы процессора умножается рабочая частота и по этой причине она в разы больше частоты системной шины. В отдельных моделях компьютеров это отличие может достигать десяти раз (к примеру, у процессора частота 1 ГГц, а у системной шины она всего лишь 100 МГц). Северный мост соединён с шиной PCI (шина для взаимных обменов модулей периферии), при помощи которой выполняется информационный обмен с микроконтроллерами модулей периферии. Частота работы микроконтроллеров в свою очередь тоже в разы меньше, чем у системной шины. Например, при частоте системной шины 100 МГц, частота PCI-шины как правило порядка 33 МГц.

Разрешающая способность, а также цветопередача дисплея, всё время растёт, и поэтому увеличивается уровень требований к скорости работы шины, по которой идёт информационный обмен между видеокартой и процессором, оперативной памятью. Сегодня для работы видеокарты, как правило, применяется отдельная шина AGP (ускоренный порт графики), которая соединяется с северным мостом и имеет повышенную частоту работы.

Южный мост обеспечивает информационный обмен между северным мостом и разъёмами, к которым подключены модули периферии. Модули для сохранения данных (дисковые накопители и другие) присоединяются к южному мосту по шине UDMA (Ultra Direct Memory Access — прямого доступа к памяти). Мышка и другое периферийное оборудование связываются с южным портом посредством порта USB (Universal Serial Bus — универсальной последовательной шины), который может обеспечить высокоскоростной обмен данными одновременно с несколькими устройствами периферии.