Организация ЭВМ и периферийные устройства

Системная или материнская плата (system board, mother board) – печатная плата, содержащая и связывающая посредством различных шин основные компоненты компьютера (процессор, оперативную память, чип-сет, графический контроллер и т.д. (рис. 1)). В настоящее время наиболее популярным типоразмером или форм-фактором (form factor) системных плат является форм-фактор ATX (305 x 244 мм), в котором за счёт оптимального размещения компонентов улучшены условия охлаждения процессора, сокращены длины кабелей для подключения накопителей, что существенно для обеспечения быстрых режимов обмена, облегчён доступ к различным компонентам внутри корпуса (упрощение Upgrade и ремонта).

Рис. 1. Структурная схема компьютера

Шина (bus) – система проводников (как правило, параллельных).

Системная шина (host bus) – шина, посредством которой осуществляется связь между основными системными компонентами компьютера (процессор, оперативная память, кэш-память, системный контроллер-концентратор)5.

Шина расширения (expansion bus, local bus) – шина, предназначенная для расширения возможностей компьютера путём подключения к ней контроллеров внешних устройств. Шины расширения могут взаимодействовать с системной шиной через схемы сопряжения ("мосты" или хабы).

Любая шина обычно включает шину данных, адресную шину и шину управления, в соответствии с типом передаваемой по ним информации. По способу организации передачи информации различают выделенные и мультиплексированные шины. По выделенным шинам передаётся информация только одного типа, например, только данные.Для уменьшения разрядности по одним и тем же проводникам может передаваться разная информация в различные моменты времени, например, адреса и данные (мультиплексирование).

3.2. Процессор, основная память, чипсет

Центральный процессор (ЦП) – центральное обрабатывающее устройство компьютера, которое исполняет программы и под их управлением реализует обработку данных. ЦП называют также CPU от англ. Central Processing Unit6. Процессор, выполненный в микроэлектронном исполнении, т.е. в виде интегральной микросхемы, называется микропроцессором (МП). В настоящее время микропроцессоры реализуются в виде сверхбольших интегральных микросхем (СБИС). Например, кристаллы процессоров Intel Core i7 содержат 2,6 и более миллиардов транзисторов [4].

При выполнении на компьютере программ, связанных с моделированием, инженерными и математическими расчётами, его производительность сильно зависит от скорости выполнения операций над числами с плавающей точкой (операции умножения, деления, возведения в степень, вычисление логарифмических и тригонометрических функций). Для ускорения выполнения указанных операций и функций в состав ЦП, начиная с i486, интегрирован математический (арифметический) сопроцессор7. По аналогии с CPU он обозначается как FPU (Floating-point Processing Unit) или NPU (Numerical Processing Unit). Сопроцессор выполняет указанные функции не чисто программным способом, а большей частью аппаратно, за счёт чего и достигается его высокая производительность (в десятки раз большая, чем у CPU без сопроцессора).

Оперативная память (ОП) – основное запоминающее устройство, обеспечивающее хранение и доступ к информации (данные и команды), непосредственно обрабатываемой процессором. Для того чтобы процессор мог выполнить некоторую программу, она должна быть предварительно загружена в ОП (хотя бы частично). Характерные особенности ОП:

• ОП строится на основе памяти адресного типа – содержит массив запоминающих элементов, каждый из которых имеет свой адрес (номер), используемый для получения доступа к элементу;

• ОП относится к устройствам памяти с произвольным доступом к отдельным запоминающим элементам (RAM – Random Access Memory), при котором доступ к любому элементу осуществляется за одно и то же время независимо от адреса элемента;

• ОП строится на основе элементов памяти динамического типа (DRAM – Dynamic RAM), которые требуют периодической регенерации хранящейся информации, что снижает её быстродействие, но обеспечивает приемлемую стоимость.

Кэш-память (от англ. cache – резервный запас, хранилище) – высокоскоростная память, логически расположенная между ЦП и ОП, исключающая во многих случаях необходимость обращения ЦП к более медленной оперативной памяти. То есть предполагается, что кэш-память с высокой вероятностью содержит данные и команды, необходимые процессору в текущий момент.

Весь обмен данными между процессором и оперативной памятью в целях его ускорения осуществляется через кэш-память. Характерные особенности кэш-памяти: