Структура персонального компьютера

ОСНОВНЫЕ БЛОКИ ПК И ИХ НАЗНАЧЕНИЕ

Понятие архитектуры и структуры

Архитектура компьютера обычно определяется совокупностью её свойств, существенных для пользователя. Основное внимание при этом уделяется структуре и функциональным возможностям машины, которые может разделить на основные и дополнительные.

Основные функции определяют назначение ЭВМ: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами. Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций: обеспечивают эффективный режимы её работы, диалог с пользователем. Высокую надёжность и др. Названные функции ЭВМ реализуются с помощью её компонентов: аппаратных и программных средств. Структура компьютера – это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в неё компонентов.

Персональный компьютер – это настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения. Достоинствами ПК являются: Малая стоимость, находящаяся в пределах доступности для индивидуального покупателя.

Автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды. Гибкость архитектуры. Обеспечивающая её адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту «дружественность» операционной системы и прочего программного обеспечения, обуславливающая возможность работы с ней пользователя без профессиональной специальной подготовки высокая надёжность работы (более 5 тыс. ч наработки на отказ)

Структура персонального компьютера

Рассмотрим состав и назначение основных блоков ПК.

Микропроцессор (МП). Это центральный блок ПК. Предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

В состав микропроцессора входят:

устройство управления (УУ) – формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти. Используемых выполняемой операцией, и передаёт эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов.

арифметико–логическое устройство (АЛУ) – предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический процессор)

микропроцессорная память (МПП) – служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. VGG строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывая информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие) интерфейсная система микропроцессора – реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода – вывода (ПВВ) и системной шиной. Интерфейс (Interface) – совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. Порт ввода – вывода (I/O – Input / Output port) – аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК.

Генератор тактовых импульсов

Он генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины.

Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины.

Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определённое количество тактов.

Системная шина

Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Системная шина включает в себя:

кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда

кодовую шину адреса (КША), включающую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода – вывода внешнего устройства

кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины

шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации

1) Между микропроцессором и основной памятью

2) Между микропроцессором и портами ввода – вывода внешних устройств

3) Между основной памятью и портами ввода – вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти)

Все блоки, а точнее их порты ввода – вывода, через соответствующие унифицированные разъёмы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще через дополнительную микросхему – котроллер шины, формирующей основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII – кодов.

Основная память (ОП)

Она предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающие устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающие устройство (ОЗУ).

ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программой и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нём информацию (изменить информацию в ПЗУ нельзя).

ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ, данных), непосредственно участвующей в информационно – вычислительном процессе, выполняемом на ПК в текущий период времени. Главными достоинствами оперативной памяти являются её высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка ОЗУ следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость).

Внешняя память

Она относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда – либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти храниться все программное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств. Но наиболее распространенными, имеющимся практически на любом компьютере. Являются накопители на жёстких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках.

Назначение этих накопителей – хранение больших объёмов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. Различаются НЖМД и НГМД лишь конструктивно, объёмами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации.

В качестве устройств внешней памяти используются также запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (стримеры), накопители на оптических дисках (CD-ROM).

Источник питания

Это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.

Таймер

Это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съём текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты. Секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания – аккумулятору и при отключении машины от сети продолжает работать.

Внешние устройства (ВУ)

Это важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса. Достаточно сказать, что по стоимости ВУ иногда составляют 50 – 80 % всего ПК. От состава и характеристик ВУ во многом зависит возможность и эффективность применения ПК в системах управлении в народном хозяйстве в целом.

ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями. Объектами управления и другими ЭВМ. ВУ весьма разнообразны и могут быть классифицированы по ряду признаков. Так, по назначению можно выделить следующие виды ВУ

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК

Диалоговые средства пользователя

Устройства ввода информации

Устройства вывода информации

Средства связи и телекоммуникации

Диалоговые средства пользователя включают в свой состав видеомониторы (дисплеи), реже пультовые пишущие машинки (принтеры с клавиатурой) и устройства речевого ввода – вывода информации.

Видеомонитор (дисплей) – устройство для отображения вводимой и выводимой из ПК информации.

Устройства речевого ввода – вывода относятся к быстроразвивающимся средствам мультимедиа. Устройства речевого ввода – это различные микрофонные акустические системы, «звуковые мыши», например, со сложным программным обеспечением, позволяющим распознавать произносимые человеком буквы и слова, идентифицировать их и закодировать.

Устройства речевого вывода – это различные синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через громкоговорители (динамики) или звуковые колонки, подсоединённые к компьютеру.

Устройства ввода информации

Клавиатура – устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК

Графические планшеты (диджитайзеры) – для ручного ввода графической информации, изображений путём перемещения по планшету специального указателя (пера), при перемещении пера автоматически выполняются считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК

Сканеры (читающие автоматы) – для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей, в устройстве кодирования сканера в текстовом режиме считанные символы после сравнения с эталонными контурами специальными программами преобразуются в коды ASCII, а в графическом режиме считанные графики и чертежи преобразуются в последовательности двухмерных координат.

Манипуляторы (устройства указания) – для ввода графической информации на экран дисплея путём управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК

Сенсорные экраны – для ввода отдельных элементов изображения, программ ил команд с полиэкрана дисплея ПК

К устройствам вывода информации относятся:

§ Принтеры – печатающие устройства для регистрации информации на бумажной носитель

§ Графопостроители (плоттеры) – для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель; плоттеры бывают векторные с вычерчиванием изображения с помощью пера и растровые: термографические, электрические, струйные и лазерные. По конструкции плоттеры подразделяются на планшетные и барабанные. Основные характеристики всех плоттеров примерно одинаковые: скорость вычерчивания – 100 – 1000 мм/с, у лучших моделей возможны цветовое изображение и передача полутонов; наибольшая разрешающая способность и чёткость изображения у лазерных плоттеров, но они самые дорогие.

Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, цифровые и аналогово-цифровые преобразователи и т.п.) и для подключения ПК к каналам связи, к другим ЭВМ и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы, «стыки», мультикоплексоры передачи данных, модемы).

В частности, сетевой адаптер является внешним интерфейсом ПК и служит для подключения его к каналу связи для обмена информацией с другими ЭВМ, для работы в составе вычислительной сети. В глобальных сетях функции сетевого адаптера выполняет модулятор-демодулятор.

Многие из названных выше устройств относятся к условно выделенной группе – средствам мультимедиа.

Средства мультимедиа – это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и пр.

К средствам мультимедиа относятся к устройствам речевого ввода и вывода информации; широко распространённые уже сейчас сканеры (поскольку они позволяют автоматически вводить в компьютер печатные тексты и рисунки); высококачественные видео и звуковые платы, платы видео захвата, снимающие изображение с видеомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в ПК; высокачественные акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими выдеоэкранами. Но, пожалуй, ещё с большими основанием к средствам мультимедиа относят внешние запоминающие устройства большой ёмкости на оптических дисках, часто используемые для записи звуковой и видеоинформации.

Стоимость компактных дисков (CD) при массовом тиражировании невысокая, а учитывая их большую емкость (650 Мбайт, а новых типов – 1 Гбайт и выше), высокие надёжность и долговечность. Стоимость хранения информации на CD для пользователя оказывается несравнимо меньшей, нежели на магнитных дисках. Это уже привело к тому, что большинство программных средств самого разного назначения поставляется на CD. На компакт-дисках за рубежом организуются обширные базы данных, целые библиотеки; на CD представлены словари, справочники, энциклопедии; обучающие и развивающие программы по общеобразовательным и специальным предметам.

CD широко используются, например, при изучении иностранных языков. Правил дорожного движения, бухгалтерского учёта, законодательства вообще и налогового законодательства в частности. И все это сопровождается текста и рисунками, речевой информацией и мультипликацией, музыкой и видео. В чисто бытовом аспекте CD можно использовать для хранения аудио и видеозаписей, т.е. использовать вместо плейерных аудиокассет и видеокассет. Следует упомянуть, конечно, но и о большом количестве программ компьютерных игр, хранимых на CD.

И таким образом, CD-ROM открывает доступ к огромным объемами разнообразными и по функциональному назначению, и по среде воспроизведения информации, записанной на компакт-дисках.

Дополнительные схемы. К системной шине и МП ПК наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и некоторые дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора: математических сопроцессор. Контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.

Математический процессор широко используется для ускоренного выполнения операций над двоичными числами с плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для вычисления некоторых трансцендентных, в том числе тригонометрических, функций. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно (совмещение во времени) с основным МП, но под управлением последнего. Ускорение операций происходит в десятки раз. Последние модели МП, начиная с МП 80486DX, включают сопроцессор в свою структуру.

Контроллер прямого доступа к памяти и освобождает МП от прямого управления накопителями на магнитных дисках, что существенно повышает эффективное быстродействие ПК. Без этого контроллера обмен данными между ВЗУ и ОЗУ осуществляется через регистр МП, а при его наличии данные непосредственно передаются между ВЗУ и ОЗУ, минуя МП.

Сопроцессор ввода-вывода за счёт параллельной работы с МП значительно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств (дисплей, принтер, НЖМД, НГМД и др.); освобождает МП от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует и режим прямого доступа к памяти.

Важнейшую роль играет в ПК контроллер прерываний.

Прерывание – временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент более важной (приоритетной) программы.

Прерывания возникают при работе компьютера постоянно. Достаточно сказать, что все процедуры ввода-вывода информации выполняются по прерываниям, например, прерывания от таймера возникают и обслуживаются контроллером прерываний 18 раз в секунду (естественно пользователь их не замечает).

Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдаёт сигнал прерывания в МП. МП, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило внешние устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы. Контроллер прерываний является программируемым.

компьютер микропроцессор шина память