Архитектура современных компьютеров. Основные устройства компьютера, их функции и взаимосвязь

Компьютер — это универсальное (многофункциональное) программно управляемое устройство для хранения, обработки и передачи информации.

Архитектура ПК — это общее описание структуры и функций компьютера на уровне, достаточном для понимания принципов его работы.

Несмотря на огромное разнообразие, подавляющее большинство современных компьютеров построено с использованием общих принципов:

Собраны по принципу открытой архитектуры. Спецификации на создание тех или иных устройств разрабатываются отраслевыми объединениями и известны всём заинтересованным производителям. Это позволяет собирать компьютеры, подбирая комплектующие в зависимости от заявленных критериев. Архитектуры также предусматривают обмен данными с любыми устройствами — это позволяет разрабатывать устройства любого назначения, не предусматривавшиеся при проектировании.

Соблюдается магистрально-модульный принцип построения. В соответствии с этим принципом, компьютер представляет собой набор блоков, взаимодействующих на основе общего канала обмена информацией. Каждый блок выполняет специализированные операции. Обмениваются блоки данными по общему каналу (шине). Микросхемы поддержки шины и средства взаимодействия блоков собраны на основной плате компьютера — материнской. Такая архитектура позволяет организовать обработку любых данных, которые могут быть представлены в цифровой форме.

В 1945 году в своем докладе математик Джон фон Нейман описал, как должен быть устроен компьютер для того, чтобы быть универсальным устройством для работы с информацией. Эти принципы носят его имя; говорят о принципах фон Неймана или об архитектуре фон Неймана:

принцип программного управления, согласно которому программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности;

принцип однородности памяти, согласно которому программы и данные хранятся в одной и той же памяти (оперативном запоминающем устройстве — ОЗУ);

принцип адресности, согласно которому основная память состоит из пронумерованных ячеек и процессору в любой момент времени доступна любая ячейка.

Конструктивно современные компьютеры реализуются в виде взаимодействующих специализированных устройств, созданных из микросхем (основные модули - СБИС), напаянных на печатных платах.

Процессор — центральное устройство компьютера, выполняющее все арифметические и логические операции и управляющее другими устройствами компьютера.

Внутренняя память компьютера делится на две части. ОЗУ — оперативное запоминающее устройство — быстрая, полупроводниковая, энергозависимая память, хранит данные, с которыми непосредственно работает процессор. Используется для чтения и для записи информации в адресные ячейки памяти.

ПЗУ — постоянное запоминающее устройство — энергонезависимая память.

В ПЗУ хранится информация, присутствие которой постоянно необходимо в компьютере (программы проверки оборудования и первоначальной загрузки ПК). ПЗУ — это память только для чтения, микросхема программируется один раз в заводских условиях.

Объем оперативной памяти, тактовая частота и разрядность процессора — это основные характеристики компьютера.

Данные и программы для обработки сохраняются в оперативной памяти, для сохранения их при отключении электропитания используются различные устройства внешней памяти (накопители на жестких («винчестер»), гибких магнитных дисках и оптических дисках (CD, DVD-диски)).

Периферийные устройства служат для увеличения функциональных возможностей компьютера, удобства ввода и вывода информации.

 

Основные виды устройств и их взаимодействие показаны на следующей схеме:

 

Для ввода данных в компьютер и демонстрации результатов обработки применяются различные устройства ввода/вывода (от клавиатуры до принтера).

К компьютеру могут быть подключены как внешние устройства (т. е. вне корпуса компьютера), так и внутренние. Внешние устройства подключаются с помощью специальных преобразователей сигналов (адаптеров) или более сложных устройств управления (контроллеров).

Для подавляющего большинства современных устройств разного назначения предусмотрены стандартные средства подключения — адаптеры и контроллеры, которые уже смонтированы на материнской плате компьютера.

Для обеспечения возможности установки и подключения устройств предусмотрены либо разъемы подключения внешних и внутренних устройств (USB, FireWire, различные шины подключения устройств внешней памяти) либо возможность установки дополнительной платы-контроллера или адаптера в резервные разъемы системной шины.