В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Модульность позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию.

К магистрали, которая представляет собой три различные шины, подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией в форме последовательности нулей и единиц, реализованных электрическими импульсами.

Многие необходимые дополнительные устройства интегрированы в современные материнские (системные) платы: сетевая карта, внутренний модем, и т.д. Раньше эти устройства подключались к материнской плате с помощью слотов расширения.

Материнская плата

Важнейшей частью материнской платы является чипсет, который во многом определяет архитектуру современного персонального компьютера. Две микросхемы чипсета: Контроллер-концентратор памяти, или Северный мост (англ. North Bridge), который обеспечивает работу процессора с оперативной памятью и с видеоподсистемой; Контроллер-концентратор ввода/вывода, или Южный мост (англ. South Bridge), обеспечивающий работу с внешними устройствами.

Процессор Северный мост Южный мост Оперативная память Шина памяти Принтер Сканер Web-камера Модем Клавиатура Мышь USB Жесткие диски CD-дисководы DVD-дисководы SATA Видеоплата PСI- Express Монитор

Быстродействие процессора, оперативной памяти и периферийных устройств существенно различаются. Быстродействие устройства зависит от тактовой частоты обработки данных (измеряется в МГц) и разрядности, т.е. количества битов данных, обрабатываемых за один такт. Такт – это промежуток времени между подачами электрических импульсов, синхронизирующих работу компьютера.

Скорость передачи данных процессора, оперативной памяти и периферийных устройств также должна различаться. Пропускная способность шины (измеряется в бит/с) равна произведению разрядности шины и частоты шины. Пропускная способность шины = Разрядность шины * частота шины

Между Северным мостом и процессором данные передаются по системной шине (FSB от анг. FrontSide Bus). В быстрых компьютерах (2008 г.) частота системной шины = 400 МГц. Однако между Северным мостом и процессором эффективная частота передачи данных в 4 раза выше. Таким образом, процессор может получать и передавать информацию с частотой 400*4=1600 МГц. Так как разрядность системной шины равна разрядности процессора (64 бита), то пропускная способность системной шины равна: 64 бита * 1600 МГц = Мбит/с = 12,5 Гбайт/с

В процессоре используется внутреннее умножение частоты, поэтому частота процессора в несколько раз больше, чем частота системной шины. В процессорах 2008 года коэффициент умножения частоты 8. Это означает, что процессор за один такт шины способен генерировать 8 своих внутренних тактов, следовательно частота процессора составляет 400 МГц * 8 = 3,2 ГГц

Обмен данными между северным мостом и оперативной памятью производится по шине памяти, частота которой может быть больше, чем частота системной шины. Современные модули памяти DDR 3 может составлять 400 МГц * 4 = 1600 МГц Т.е оперативная память получает данные с такой же частотой, что и процессор. Т.к. разрядность шины памяти равна разрядности процессора (64 бита), то пропускная способность шины памяти равна: 64 бита * 1600 МГц = Мбит/с = 12,5 Гбайт/с

По мере усложнения графики приложений требования к быстродействию шины, связывающей видеопамять с процессором и оперативной памятью, возрастают. Для подключения видеоплаты к северному мосту все используют шину PCI Express. Пропускная способность этой шины может достигать 32 Гбайт/с.

Устройства внешней памяти (жесткие диски, CD- и DVD- дисководы) подключаются к южному мосту по шине SATA (англ. Serial Advanced Technology Attachment – последовательная шина подключения накопителей), скорость передачи данных может достигать 300 Мбайт/с.

Для подключения периферийных устройств обычно используется шина USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина). Эта шина обладает пропускной способностью до 60 Мбайт/с и обеспечивает подключение к компьютеру одновременно до 127 периферийных устройств.

Увеличение производительности процессора за счет увеличения частоты имеет свой предел из-за тепловыделения. Выделение процессором тепла Q пропорционально потребляемой мощности P, которая в свою очередь пропорциональна квадрату частоты V 2 : Q ~ P ~ V 2

Увеличения производительности процессора, а значит и компьютера, достигается за счет увеличения количества ядер процессора. Вместо одного ядра процессора используются два или четыре ядра, что позволяет распределить вычисления и повысить производительность процессора.