Архитектура ЭВМ

Базовая конфигурация ЭВМ

Персональный компьютер — универсальная техническая система. Его конфигурацию (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости. Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. В таком комплекте компьютер обычно поставляется. Понятие базовой конфигурации может меняться. В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают четыре устройства:

системный блок;
монитор;
клавиатура;
мышь.

Системный блок

Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, - внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными.

Форм-фактор — стандарт, задающий габаритные размеры технического изделия, а также описывающий дополнительные совокупности его технических параметров, например форму, типы дополнительных элементов размещаемых в/на устройстве, их положение и ориентацию.

Форм-фактор АХ — морально устаревший форм-фактор. Спецификация выпущена IBM, устарела. Используется для старых, б/у или недорогих компьютеров. Имеет 4 семейства размеров. Наиболее часто употребляемый размер - BAT, иногда этот форм-фактор так и называют. Название "глубина" говорит о преимущественном использовании в десктопах. Особенности семейства:

Full AT - использовалась исключительно в серверах, т.к. достигала 12" в ширину.
Baby AT - нормальный размер.
Глубина 3/4 и 2/3 от глубины BAT при той же ширине.

Форм-фактор АTX — спецификация выпущена Intel в середине 90-х годов. ATX раскрывается как AT Extension, что означает развитие AT. Периодически выходят новые версии спецификации АТX, напр. версия 2.03 от 1998 года. Особенности семейства:

ATX - большой размер (305x244 мм), позволяющий разместить целых 7 слотов карт расширения (PCI, AGP, AMR, CNR, ACR, ISA). Плата совместима с корпусами десктоп и башнями. Является аналогом Baby AT.
Mini-ATX - имеет меньшие размеры (284x208 мм) и позволяет разместить 6 слотов карт. Совместима с теми же корпусами, что и ATX.
MicroATX - уменьшенная АТX (244x244 мм): большая сторона прямоугольника уменьшилась до квадрата. Позволяет разместить 4 слота. Основное применение - офисные компьютеры.
FlexATX - еще уменьшенный вариант MicroATX (229x191 мм). Одно из его применений - Интернет-приставки. MicroATX и FlexATX иногда называют SFX.

Форм-фактор LPX, NLX — спецификация LPX предназначалась для использования в корпусах Slimline или Low-profile. Была введена стойка. Т.е. карты расширения вставляются не в материнскую плату, а в подключаемую к плате вертикальную стойку, параллельно материнской плате. Это позволило заметно уменьшить высоту корпуса, максимальное количество подключаемых карт - 2-3 штуки. Еще одно нововведение, родившиеся в LPX - это интегрированный на материнскую плату видеочип. Размер корпуса для LPX оставляет 9х13", для Mini-LPX - 8 x 10". После появления NLX, LPX начал вытесняться.

Размеры семейства: NLX (большой размер) - 400x400x100 мм, microNLX (маленький размер) - 210x254 мм. Основные отличия NLX:

поддерживает существующие и будущие процессоры;
поддерживает графические возможности с помощью графического порта AGP;
поддерживает технологию "высоких" блоков памяти;
обеспечивает гибкость разработки и интеграции системы (напр. дает возможность заменены платы даже без отвинчивания винтов).

Монитор

Монитор — устройство визуального представления данных.

Размер монитора измеряется между противоположными углами видимой части экрана по диагонали. Единица измерения — дюймы. Стандартные размеры: от 15" до 30".

Соотношение сторон экрана — стандартный (4:3), широкоформатный (16:9, 16:10) или другое соотношение (например, 5:4).

На экране ЖК-монитора изображение образуется в результате прохождения белого света лампы подсветки через ячейки, прозрачность которых зависит от приложенного напряжения. Элементарная триада состоит из трех ячеек зеленого, красного и синего цвета и соответствует одному пикселю экрана. Размер монитора по диагонали и разрешение экрана однозначно определяет размер такой триады (RGB) и зернистость изображения.

Частота регенерации (обновления) изображения показывает, сколько раз в течение секунды монитор может полностью сменить изображение (поэтому ее также называют частотой кадров).

При частоте регенерации порядка 60 Гц мелкое мерцание изображения может быть заметно невооруженным глазом. Для ЭЛТ-мониторов минимальным считают значение 75 Гц, нормативным — 85 Гц и комфортным — 100 Гц и более. У ЖК-мониторов изображение более инерционно, так что мерцание подавляется автоматически.

По типу экрана выделяют:

ЭЛТ — монитор на основе электронно-лучевой трубки (cathode ray tube, CRT).
ЖК — жидкокристаллические мониторы (liquid crystal display, LCD).
Плазменный — на основе плазменной панели (plasma display panel, PDP, gas-plazma display panel).
Проектор — видеопроектор и экран, размещённые отдельно или объединённые в одном корпусе (как вариант — через зеркало или систему зеркал); и проекционный телевизор.
LED-монитор — на технологии LED (light-emitting diode — светоизлучающий диод).
OLED-монитор — на технологии OLED (organic light-emitting diode — органический светоизлучающий диод).
Виртуальный ретинальный монитор — технология устройств вывода, формирующая изображение непосредственно на сетчатке глаза.
Лазерный — на основе лазерной панели (пока только внедряется в производство).

Клавиатура

Клавиатура — клавишное устройство управления персональным компьютером.

Служит для ввода алфавитно-цифровых (знаковых) данных, а также команд управления. Содержит 101-106 клавиш:

буквенно-цифровые клавиши;
клавиши цифровой клавиатуры;
клавиши управления и клавиши-модификаторы;
функциональные клавиши;
клавиши управления курсором.

Мышь

Мышь — устройство управления манипуляторного типа (Дуглас Энгельбарт, 1970 год). Перемещение мыши по плоской поверхности синхронизировано с перемещением графического объекта (указателя мыши) на экране монитора.

Другие устройства управления:

трекболы;
тачпады;
сенсоры.

Устройства системного блока

Жесткий диск — основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ. На самом деле это не один диск, а группа соосных дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой скоростью. Над каждой поверхностью располагается головка, предназначенная для чтения-записи данных.

Характеристики:

Интерфейс — ATA (он же IDE и PATA), SATA, SCSI, SAS. В ряде устройств на базе жёстких дисков могли также применяться интерфейсы eSATA, FireWire, SDIO, Fibre Channel, USB 2, USB 3, Thunderbolt.
Ёмкость — количество данных, которые могут храниться накопителем. В отличие от общепринятой в информатике системы приставок, обозначающих кратную 1024 величину (см.: двоичные приставки), производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются величины, кратные 1000.
Физический размер (форм-фактор) — почти все накопители 2001—2008 годов для персональных компьютеров и серверов имеют ширину либо 3,5, либо 2,5 дюйма.
Время произвольного доступа — среднее время, за которое винчестер выполняет операцию позиционирования головки чтения/записи на произвольный участок магнитного диска, зависит от скорости вращения. Часто в спецификациях указывают среднее время доступа порядка 8—10 мс. У SSD-накопителей этот параметр меньше 1 мс, кроме того SSD способны обрабатывать несколько случайных запросов одновременно.
Скорость вращения шпинделя — количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и средняя скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки); 5400, 5700, 5900, 7200 и 10 000 (персональные компьютеры); 10 000 и 15 000 об./мин. (серверы).
Надёжность — определяется как среднее время наработки на отказ (MTBF).
Количество операций ввода-вывода в секунду (IOPS) — зависит от скорости вращения, размера запросов и локализации запросов. У современных дисков на 7200 об/с этот параметр оценивается как около 75—100 оп./с при произвольном доступе к накопителю, и определяется в большей степенью временем произвольного доступа.
Потребление энергии — важный фактор для мобильных устройств.
Сопротивляемость ударам (G-shock rating) — сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам.
Скорость передачи данных (Transfer Rate) при последовательном доступе различается для областей диска:

— внешняя зона диска: порядка 150—200 МБ/с;

— внутренняя зона диска: порядка 70—100 МБ/с

Объём буфера — буфером называется промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В современных дисках он обычно варьируется от 8 до 128 МБ.

Материнская плата

Материнская плата (mainboard, motherboard) — печатная плата, являющаяся основой построения модульного устройства, например — компьютера.

Материнская плата содержит основную часть устройства, дополнительные же или взаимозаменяемые платы называются дочерними или платами расширений.

Схема материнской платы

Северный и южный мосты материнской платы — это два основных функциональных контроллера, которые отвечают за работу всех компонентов системной платы и называются чипсетом (от англ. chipset).

Северный мост (Northbridge) — это системный контроллер, отвечающий за работу с оперативной памятью (RAM), видеоадаптером и процессором (CPU). Отвечает за частоту системной шины, тип оперативной памяти и ее максимально возможный объем, обеспечение взаимодействия системной платы и процессора. Частью северного моста часто является встроенный видеоадаптер.

Южный мост (Southbridge) — известен как контроллер ввода-вывода или ICH (In/Out Controller Hub). Отвечает за так называемые «медленные» операции, к которым относится отработка взаимодействия между интерфейсами IDE, SATA, USB, LAN, Embeded Audio. Также южный мост отвечает за обработку данных на шинах PCI, PCIe и ISA.

Видеоадаптер

С развитием мониторов стало необходимо выделение всех операций, связанных с управлением экраном, в отдельный блок, получивший название видеоадаптера. Физически видеоадаптер выполнен в виде отдельной дочерней платы, которая вставляется в один из слотов материнской платы и называется видеокартой.

Видеоадаптер взял на себя функции видеоконтроллера, видеопроцессора и видеопамяти.

Видеоускорение – одно из свойств видеоадаптера, которое заключается в том, что часть операций по построению изображений может происходить без выполнения математических вычислений в основном процессоре компьютера, а чисто аппаратным путем – преобразованием данных в микросхемах видеоускорителя.

Видеоускорители обычно входят в состав видеоадаптера (в таких случаях говорят о том, что видеокарта обладает функциями аппаратного ускорения). Несколько лет назад существовали и видеоускорители, которые поставлялись в виде отдельной платы, устанавливаемой на материнской плате и подключаемой к видеоадаптеру.

Характеристики видеокарт:

Ширина шины памяти
Объём видеопамяти. Видеокарты, интегрированные в МП или являющиеся частью ЦПУ, обычно не имеют собственной видеопамяти
Частоты ядра и памяти — измеряются в мегагерцах, чем больше, тем быстрее видеокарта будет обрабатывать информацию.

Шина

Шина — набор проводников (и схем их управления) для передачи информации и/или питания между функциональными электронными блоками.

Шина адреса (англ. Address Bus) — компьютерная шина, используемая центральным (микро)процессором или управляющим микроконтроллером устройства для адресования портов периферийных устройств или места в памяти, ОЗУ или ПЗУ;
Шина данных (англ. Data Bus) — компьютерная шина, используются устройствами, подключаемыми к шине, для передачи по ней информации (обычно блоков данных);
Шина управления — шина передачи управляющих сигналов между блоками и узлами компьютера.

Параллельные

Последовательные

► Extended ISA или EISA

► MicroChannel или MCA

► Peripheral Component Interconnect или PCI, также PCI-X

► PCI Express или PCIe

► USB, Universal Serial Bus, чаще используется как внешняя

► FireWire, i.Link, IEEE 1394, чаще используется как внешняя

► Direct Media Interface (DMI)

► SATA/SAS

Процессор

Центральный процессор (ЦП; также центральное процессорное устройство — ЦПУ; central processing unit, CPU) — электронный блок, либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.

Главными характеристиками ЦПУ являются:

количество вычислительных ядер;
тактовая частота (на ядро) – частота тактового генератора, который синхронизирует выполнение всех операций процессора;
производительность – измеряется во флопсах (количество операций с плавающей запятой в секунду);
энергопотребление (рабочее напряжение);
нормы литографического процесса, используемого при производстве (для микропроцессоров) – от 3 мкм в 1970-х гг. до 7 нм в Apple A12X (c 2018), Zen 2 от AMD, серверных процессорах Ерус, чипсетах Snapdragon 855, есть наработки по 5 нм и 3 нм процессу.

Архитектура фон Неймана

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретённого Джоном фон Нейманом в 1946 году.

Отличительной особенностью архитектуры фон Неймана является то, что инструкции и данные хранятся в одной и той же памяти.

В различных архитектурах и для различных команд могут потребоваться дополнительные этапы. Например, для арифметических команд могут потребоваться дополнительные обращения к памяти, во время которых производится считывание операндов и запись результатов.

Схематичное изображение машины фон Неймана

Этапы цикла выполнения:

Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса, и отдаёт памяти команду чтения;
Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных, и сообщает о готовности;
Процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её;
Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды;
Снова выполняется п. 1.

Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).

Во время процесса процессор считывает последовательность команд, содержащихся в памяти, и исполняет их. Такая последовательность команд называется программой и представляет алгоритм полезной работы процессора. Очерёдность считывания команд изменяется в случае, если процессор считывает команду перехода -- тогда адрес следующей команды может оказаться другим. Другим примером изменения процесса может служить случай получения команды останова или переключение в режим обработки аппаратного прерывания.

Конвейерная архитектура

Факторы, снижающие эффективность конвейера:

простой конвейера, когда некоторые ступени не используются (например, адресация и выборка операнда из ОЗУ не нужны, если команда работает с регистрами);
ожидание: если следующая команда использует результат предыдущей, то последняя не может начать выполняться до выполнения первой (это преодолевается при использовании внеочередного выполнения команд - out-of-order execution);
очистка конвейера при попадании в него команды перехода (эту проблему удаётся сгладить, используя предсказание переходов).

Некоторые современные процессоры имеют более 30 ступеней в конвейере, что увеличивает производительность процессора, однако приводит к большому времени простоя (например, в случае ошибки в предсказании условного перехода). Не существует единого мнения по поводу оптимальной длины конвейера: различные программы могут иметь существенно различные требования.

Суперскалярность - способность выполнения нескольких машинных инструкций за один такт процессора путём увеличения числа исполнительных устройств.

CISC- и RISC-архитектуры

CISС (Complex instruction set computer) — вычисления со сложным набором команд. Процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд. Типичными представителями CISC-архитектуры являются процессоры на основе команд x86 (хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд: в начале процесса исполнения сложные команды разбиваются на более простые микрооперации (МОП), исполняемые RISC-ядром).

RISC (Reduced instruction set computer) — вычисления с упрощённым набором команд (в литературе слово «reduced» нередко ошибочно переводят как «сокращённый»). Архитектура процессоров, построенная на основе упрощённого набора команд, характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации. Концепция RISC разработана Джоном Коком из IBM Research, название придумано Дэвидом Паттерсоном.

Упрощение набора команд призвано сократить конвейер, что позволяет избежать задержек на операциях условных и безусловных переходов. Однородный набор регистров упрощает работу компилятора при оптимизации исполняемого программного кода. Кроме того, RISC-процессоры отличаются меньшим энергопотреблением и тепловыделением.