3.2.Магистрально-модульный принцип построения  ПК

В  основу  современных   персональных   компьютеров положен  магистрально-модульный  принцип. Модульный  принцип  позволяет комплектовать  нужную конфигурацию и  производить необходимую модернизацию. Модульный  принцип опирается  на  шинный  принцип  обмена  информацией между  модулями Системная  шина или   магистраль  компьютера  включает  в  себя  несколько   шин  различного  назначения. Магистраль включает в  себя  три  много разрядные   шины:
-- шину   данных,
-- шину   адреса,
-- шину  управления.
Шина  данных  используется  для   передачи  различных  данных между  устройствами компьютера. Особый  тип   данных – команды  процессора, которые также  передаются  по  шине  данных. Основная  характеристика  шины – количество  разрядов, скорость передачи  по  64- разрядной  шине будет  в  два   раза  выше  чем  по  32- разрядной  шине. Передача  по  шине  данных  может  осуществляться в  разных  направлениях, например, от  процессора  к  памяти  и  от  памяти  к  процессору.
Шина  адреса   применяется  для  адресации  пересылаемых  данных, то  есть для  определения  их  местоположения  в  памяти  или  в  устройствах  ввода/вывода. При  получении (чтении) данных  процессор  устанавливает  на  шине  адреса  тот  номер  ячейки  памяти, где  хранятся  требуемые  данные, а  при  необходимости сохранить  данные – номер  той  ячейки, где  данные  будут  храниться. Количество  всех возможных адресов определяется   как  2n, где  n- количество  разрядов  шины  адреса. Например,
32-разрядная  шина  адреса  позволяет  адресовать  232  или  4 294 967 296 ячеек  памяти.
     Шина управления   включает  в  себя  управляющие  сигналы, которые  служат  для  временного  согласования работы  различных  устройств  компьютера, для определения направления  передачи данных, для  определения  форматов передаваемых  данных  и т.д Одним  словом,  это  служебная  информация.
Помимо  этих  трех  шин существует  также  шина питания ,  по  которой  к  устройствам  компьютера  подаются  питающие  напряжения (обычно  это +5В, +12В,-5В, и –12В), а  также общие  провода («земля»)  с  нулевым  потенциалом.

Что такое архитектура и структура компьютера?

При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру.

Для просмотра видео по структуре ЭВМ щелкните по рисунку

Наиболее распространены следующие архитектурные решения.
Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа. Это однопроцессорный компьютер.   К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной, подробно рассмотренная в разделе 2.18 (рис. 2.26). Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.

Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления периферийными устройствами.
Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере нескольких процессоров означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи. Структура такой машины, имеющей общую оперативную память и несколько процессоров, представлена на рис.

 
Архитектура многопроцессорного компьютера
Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый свою (локальную). Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.
Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.
Архитектура с параллельными процессорами. Здесь несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе — то есть по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных. Структура таких компьютеров представлена на рис

  Архитектура с параллельным процессором
В современных машинах часто присутствуют элементы различных типов архитектурных решений. Существуют и такие архитектурные решения, которые радикально отличаются от рассмотренных выше.
Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру процессора, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской. А контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения (DаughterBoard — дочерняя плата) и подключаются к шине с помощью разъёмов расширения, называемых также слотам
   Режимы  обмена   информацией
В компьютере  существует три  основных  режима  работы (или  режима обмена информацией):

• Программный режим  обмена.
• Обмен  в режиме  прерывания (interrupt).
• Обмен  в  режиме  прямого  доступа к  памяти  (ПДП, DMA-Direct  Memory Access).

      Программный   режим  обмена   наиболее   простой. В  этом случае  весь  обмен происходит под  непосредственным  управлением  процессора, в процесс  которого никто и ничто  не  вмешивается. Процессор  последовательно выбирает (читает) из  памяти  команды  и  выполняет  их, читая  данные  из  памяти, обрабатывая  их,  записывая  данные  в  память.  Путь  процессора  по  программе  может  быть линейным, цикличным, но он  всегда  непрерывен.  При  этом  процессор  ни на какие  внешние  не  реагирует.
     Обмен  по прерываниям  используется  тогда,  когда  необходима реакция на  какое-то внешнее  событие. Например, оператор компьютера нажал  на клавишу  клавиатуры, или  по  локальной  сети поступил  пакет  данных. Компьютер  должен  реагировать  на  это  соответственно  выводом  символа  на  экран или  же  чтением  и  обработкой принятого  по  сети  пакета.
        Организовать  реакцию  на  внешнее  событие  можно  различными  путями:

• с помощью  постоянного   программного  контроля  факта   наступления  события (так  называемый  метод  опроса   флага  или  polling);
• с помощью  прерывания, то  есть  насильственного перевода  процессора  с  выполнения  текущей  программы   на  выполнение  экстренно необходимой   программы;
• с  помощью  прямого  доступа к  памяти, то  есть  без  участия   процессора  при  его  отключении   от   шины.

Основные  аппаратные  компоненты  ПК
Для  большей  ясности  дальнейшего  изложения  определим  некоторые  термины, относящиеся  к  аппаратным  средствам  современных  компьютеров. Рассмотрим  названия   основных  элементов   компьютера.
Системной  платой ( System  Board), или  материнской  платой (Mother Board), называют  основную  печатную  плату. На  системной  плате  реализована  магистраль обмена  информацией, имеются  разъемы   для  установки   процессора  и  оперативной  памяти,  а  также  слоты  для  установки  дополнительных  контроллеров  внешних  устройств.
Платой  расширения,  или  картой   расширения (Expansion  Card),  называют  печатную  плату с  краевым  разъемом,  устанавливаемую  в  слот  расширения. Карты  расширения, привносящие  в  ПК  какой- либо  дополнительный интерфейс, называют  интерфейсными  картами (Interface  Card). Интерфейсная  карта   предназначена   для  подключения  какого-либо  устройства,  к  ней  применимо  название  адаптер (Adapter). Например, дисплейный  адаптер служит  для  подключения  дисплея-монитора. Адаптер  и  интерфейсная  карта  практически  синонимы, и  NIC (Network  Interface  Card- карта  сетевого  интерфейса) часто   переводится  как  адаптер  ЛВС (локальной  вычислительной  сети).
Слот (Slot)  представляет  собой  щелевой  разъем, в  который  устанавливается  какая-либо  печатная  плата. Слот  расширения  (Expansion  Slot)  в  РС  представляет  собой  разъем  системной  шины  в  совокупности  с  прорезью  в  задней  стенке  корпуса  ПК- то есть   посадочное  место   для  установки  карты  расширения.  Слоты  расширения  имеют разъемы  шин  ISA/EISA,  PCI, MCA, AGP. Внутренние  слоты  используются  и  для  установки  модулей  оперативной   памяти  (ОЗУ), DIMM  или  SIMM, процессоров Pentium II,  а  также  процессорных  модулей. В  зависимости  от  того, сколько на  материнской  плате  слотов  расширения, зависит  сколько  можно  установить  дополнительных  плат  
Сокет (Socket)  представляет  собой  гнездо,  в  которое  устанавливаются   микросхемы  микропроцессора. Его   контакты   рассчитаны  на  микросхемы  со  штырьковыми  выводами  в  корпусах  DIP,  PGA.
Джампер  (Jumper)  представляет  собой  съемную  перемычку,  устанавливаемую на  торчащие   из  печатной  платы   штырьковые   контакты.  Джамперы  используются  для  конфигурирования  различных  компонентов  как   выключатели  или  переключатели,  для  которых  не   требуется    оперативного  управления.  Джамперы   переставляют   с  помощью   пинцепа    при   выключенном  питании.
DIR-переключатели (DIR  Switches)  представляют  собой   малогабаритные   выключатели   в  корпусе DIR. Применяются  для  тех  же  целей,  что   и  джамперы.  В  современных   компонентах  стремятся  сокращать  количество  переключателей  или  джамперов,  стараясь   переложить   все  функции   конфигурирования  на  программно- управляемые  электронные  компоненты.  Компоненты,  которые  после  установки  конфигурируются  автоматически, относят  к  классу  PnP (Plug  and  Play -  вставляй  и  играй).
Чип (Chip) – это  полупроводниковая  микросхема  или  Чипсет (ChipSet)- набор интегральных  схем,  при  подключении  которых  друг  к  другу  формируется  функциональный  блок  вычислительной  системы. Чипсеты  широко  применяются  в   системных  платах,  графических  контроллерах  и  других  сложных  узлах, функции  которых  в  одну  микросхему   заложить   не  удается.