Архитектура персонального компьютера

Что такое архитектура компьютера

При упоминании термина «архитектура» сразу возникает ассоциация с разработкой строительных проектов, объектами культурного и исторического наследия. В прочих направлениях профессиональной деятельности понятие редко употребляют. Исключением является индустрия информационных технологий. В этой сфере определение архитектуры часто используют применительно к электронной вычислительной технике.

Характеристики и содержание компьютерной архитектуры позволяют понять принцип действия компонентов машин. Исходя из рабочих процессов, формируются определенные схемы реализации и функционирования программного обеспечения. Ключевые аспекты построения базовой архитектуры вычислительного машинного оборудования сформулированы Джоном фон Нейманом. В настоящее время техника работает по магистрально-модульной схеме, обладающей рядом важных эксплуатационных преимуществ.

Компьютеры разных конфигураций и технических параметров призваны упрощать и повышать эффективность обработки информационных потоков данных разных форматов. Ключевые компоненты компьютерных машин:

• аппаратная часть (hardware);
• программная часть (software, soft).

Типовые архитектуры ПК

По результатам изучения архитектуры компьютерной техники можно сделать вывод о компонентном составе оборудования и используемых программах. Структурными компонентами называют комплекс средств с определенными функциями, в том числе, главные логические узлы и простые схемы, которые связаны между собой. От того или иного типа архитектурного строения зависят следующие особенности компьютеров:

• принцип работы;
• схемы соединения и взаимного действия главных логических узлов.

К основным логическим узлам организации относят:

• процессор;
• оперативное запоминающее устройство;
• внешние накопительные устройства;
• периферийные устройства.

Программное управление служит ключевым принципом построения и содержания любого современного персонального компьютера. Классической считают архитектуру, предложенную Нейманом. История ее создания началась в 1946 году, когда математики из Америки Джон фон Нейман, Герман Голдштейн и Артур Беркс опубликовали материал об инновационном походе к сборке и обеспечении работы электронных вычислительных машин.

Сформулированные тезисы послужили фундаментом для производства компьютерной техники первого и второго поколения. В дальнейшем принципы претерпевали множество изменений и корректировались в зависимости от актуальных запросов пользователей. Однако ключевые положения фон Неймана остались прежними.

Архитектура неймановского компьютера

Принято выделять несколько ключевых положений, сформулированных фон Нейманом. К таковым относят следующие принципы построения компьютерной техники:

1. Применение двоичного формата счисления в персональных компьютерах с целью существенного упрощения реализации арифметических и логических процессов. Данное обстоятельство выгодно отличает двоичную систему от десятичной системы в этом случае.
2. Управление машиной с помощью программ. Таким образом, контроль функционала техники реализован по средствам программного обеспечения, в состав которого включен командный комплекс. При этом предусмотрено последовательное выполнение действий. Благодаря разработке ПК со встроенным в память программным обеспечением, сформировалось направление программирования.
3. Сведения и программные продукты размещены в памяти вычислительной техники. Присвоенные действиям и информации коды одинаковые в двоичной системе.
4. Ячейки памяти компьютерной техники дополнены номерами адресов в определенной последовательности. За счет наличия возможности адресно обратиться к какой-либо ячейке реализовано использование переменных при работе с программами.
5. Обеспечение схемы условного перехода при запуске программного обеспечения. Реализован поэтапный алгоритм выполнения команд в компьютере. Если это требуется, допустимо перейти в нужную часть кода, нарушая порядок.

Главный принцип рассматриваемой архитектуры состоял в наличии возможности конфигурировать программное обеспечение в зависимости от конкретных потребностей. Таким образом, удалось уйти от понимания программы в качестве стабильного компонента компьютера. Неизменной и простой остается лишь аппаратура, что отличает ее от программ. Электронно-вычислительная техника со структурой вон Неймана включала в себя следующие элементы:

• запоминающее устройство (ЗУ);
• арифметико-логическое устройство (АЛУ) для реализации любых действий;
• устройство управления (УУ) для координации функций и работы каждого из узлов компьютера согласно программным алгоритмам;
• устройства ввода-вывода.

С помощью арифметического логического устройства программное обеспечение и информация передавались в запоминающее устройство. Сведения о действиях, производимых во время работы программы, сохранялись в ячейки памяти в определенной последовательности. Запись обрабатываемых данных велась также в ячейки, но произвольным способом.

В состав команды входили предписания процесса, который требуется реализовать, и адреса ячеек, предназначенных для хранения информации. Применительно к таким ячейкам выполнялись конкретные действия. Кроме того, команда содержала данные с адресом ячейки для фиксации итога, то есть сохранения их в запоминающем устройстве.

После обработки в арифметико-логическом устройстве результаты поступают в запоминающее устройство и компонент архитектуры для вывода информации. Разница между перечисленными узлами заключается в формате сохраняемых данных. В первом случае сведения удобны для выполнения действий на персональном компьютере.

После считывания управляющим устройством информации, которую содержит определенная ячейка в памяти, осуществляется ее передача в командный регистр. Блок управления идентифицирует процесс, предусмотренный командой, записывает сведения в память с указанными в команде адресами, ответственен за контроль реализации полученных предписаний.

За непосредственное выполнение операции отвечает арифметико-логическое устройство, либо аппаратура. Когда команда выполнена, соответствующий счетчик прирастает на одну единицу и указывает на следующую программную команду. Когда нужная команда не является следующей после выполненного предписания, специальная функция перехода содержи т информацию с адресом ячейки, в которую требуется предоставить управление.

Архитектура постнеймановских компьютеров

В настоящее время персональные компьютеры обладают архитектурой, основанной на магистрально-модульном принципе. Таким образом, вычислительная техника включает в себя отдельные функциональные компоненты, то есть модули, для которых характерна относительная самостоятельность. В качестве примеров можно привести процессор, оперативную память, контроллер, дисплей, принтер и сканер.

За счет модульности оборудования пользователь получает возможность менять конфигурацию компьютера в зависимости от характера решаемых задач. Кроме того, современным владельцам компьютерной техники доступно множество вариантов дооснащения и обновления для улучшения технических характеристик машин. В основе модульного построения системы лежит магистральный принцип обмена информационными данными.

Рассматриваемая архитектура открытого типа подразумевает наличие возможностей для подключения к компьютеру дополнительного системного и периферийного оборудования, установки программного обеспечения разного уровня и целевого назначения. Усовершенствованные с годами модели компьютерных машин отличаются максимально возможной скоростью информационного обмена с памятью системы.

Системная память предназначена для хранения информации. С ее помощью вычислительная техника реализует различные команды. В результате наблюдается больше всего обращений центрального процессора к памяти. Таким образом, благодаря ускоренному перемещению данных между этими компонентами, значительно улучшается производительность оборудования в целом.

В результате многолетнего инженерного труда удалось осуществить переход от одношинной структуры вычислительной техники к трехшинной. Арифметико-логическое устройство и блок управления в современных компьютерах составляют процессор. Если в него включены одна или более крупных интегральных схем, то такой процессор называют «микропроцессор» или «микропроцессорный комплекс».