В основу архитектуры современных персональных компьютеров (ПК) положен магистрально-модульный принцип.
Модульный – так как ПК состоит из отдельных модулей (клавиатура, монитор, жесткий диск, материнская плата, центральный процессор и т.д.). Это позволяет пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию.
Магистральный – так как устройства ПК подключены к единой системной шине или магистрали. К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации. Которые обмениваются информацией на машинном языке (последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов).
Магистраль включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления, которые представляют собой многопроводные линии.
По шине данных между устройствами передаются данные. Передача возможна в любом направлении. Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, то есть количеством двоичных разрядов, которые могут передаваться или обрабатываться процессором одновременно. Разрядность процессоров постоянно увеличивается по мере развития компьютерной техники (в настоящее время до 64 разрядов).
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 шине адреса, причем сигналы по ней передаются в одном направлении – от процессора к оперативной памяти и устройствам ( однонаправленная шина).
Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство), то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество возможных адресов определяется по формуле N=2I , где I – разрядность шины адреса. В современных ПК разрядность шины адреса составляет 36 бит.
Шина управления. По ней передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают, какую информацию – считывание или запись информации из памяти – нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами.
Процессор (центральный процессор, ЦП) выполняет логические и арифметические операции, определяет порядок выполнения операций, указывает источники данных и приемники результатов. Работа процессора происходит под управлением программы.
При первом знакомстве с ЭВМ можно считать, что процессор состоит из 4 устройств: арифметико-логического устройства (АЛУ), устройства управления (УУ), блока регистров (БР) и кэш-памяти. АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными. Промежуточные результаты сохраняются в БР. Кэш-память служит для повышения быстродействия процессора путем уменьшения времени его непроизводительного простоя. УУ отвечает за формирование адресов очередных команд, т.е. за порядок выполнения команд, из которых состоит программа.
Память предназначена для записи, хранения и выдачи команд и обрабатываемых данных.
Существует несколько разновидностей памяти: оперативная, постоянная, внешняя, кэш, CMOS, регистровая. Существование целой иерархии видов памяти объясняется их различием по быстродействию, энергозависимости, назначению, объему и стоимости. Многообразие видов памяти помогает снять противоречие между высокой стоимостью памяти одного вида и низким быстродействием памяти другого вида. Память современных компьютеров строится на нескольких уровнях, причем, память более высокого уровня меньше по объему, быстрее и в пересчете на один байт памяти имеет большую стоимость, чем память более низкого уровня.
Регистровая память – наиболее быстрая, ее иногда называют сверхоперативной. Она представляет собой блок регистров (БР), которые размещены внутри процессора. Регистры используются при выполнении процессором простейших операций: пересылка, сложение, счет, сдвиг операндов, запоминание адресов и т.д. Современные технологии пока не позволяют размещать всю память на одном кристалле с процессором.
Кэш-память по сравнению с регистровой памятью имеет больший объем, но меньшее быстродействие. В современных ЭВМ имеется 2 – 3 запоминающих устройства такого типа.
Кэш-память первого уровня размещается внутри процессора, а кэш-память второго уровня – вне процессора, на материнской плате. В переводе с английского слово «кэш» означает «тайник», так как кэш-память недоступна для программиста (она автоматически используется компьютером). В ней запоминаются на некоторое время полученные ранее данные, которые предполагается использовать процессором в ближайшее время. Это экономит время, которое тратится на пересылку данных из оперативной памяти в процессор и обратно.
Энергозависимая память CMOS служит для запоминания конфигурации данного компьютера (текущее время, дата, выбранный системный диск и т.д.). Объем этой памяти всего 256 байт. Для непрерывной работы этого вида памяти на материнской плате ЭВМ устанавливают отдельный малогабаритный аккумулятор или батарею питания.
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) используется для кратковременного хранения переменной (текущей) информации и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций. ОЗУ используется для хранения программ, составляемых пользователем, а также исходных, конечных и промежуточных данных, получающихся при работе процессора. ОЗУ – энергозависимая память, поэтому при выключении питания информация, хранившаяся в ОЗУ, теряется безвозвратно.
В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится информация, которая не изменяется при работе ЭВМ. Такую информацию составляют тест - мониторинговые программы (они проверяют работоспособность компьютера в момент его включения), драйверы (программы, управляющие работой отдельных устройств ЭВМ, например, клавиатурой) и др.
Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) предназначены для долговременного хранения информации. К ВЗУ относятся накопители на магнитной ленте (магнитофоны, стримеры), накопители на жестких дисках (винчестеры), накопители на гибких дисках (дискеты), проигрыватели оптических дисков, электронная флэш-память. ВЗУ по сравнению с ОЗУ имеют больший объем, но меньшее быстродействие.
2.1. Магистрально-модульный принцип построения компьютера
По быстродействию ОЗУ уступает кэш-памяти, но стоимость ОЗУ значительно ниже.
ПЗУ - энергонезависимая память, поэтому информация в нем сохраняется даже при выключении энергопитания.