Лекция 5 Функциональная и структурная организация ПК.

Основные функциональные элементы ПК размещены в устройствах различных компьютеров по-разному, но обязательно входят в состав любого из них. Характерной чертой всех ПВМ является модульность структуры.

Все электронное оборудование расчленено на модули (так называемые электронные платы), связанные между собой системной шиной.

Каждый модуль соединен с системной шиной так, что любой модуль может передавать информацию в системную шину и любой модуль может ее принимать.

Модуль, в котором помещен микропроцессор (МП), называется системной платой(модулем) или материнской платой.

Схемы, управляющие внешними устройствами компьютера (контроллеры и адаптеры), находятся на отдельных платах, вставляемых в материнскую плату.

На системной плате расположено несколько гнездовых разъемов (так называемые слоты) для подключения дополнительных плат. Добавляя платы подходящих типов, можно получать требуемую конфигурацию компьютера. Так, например, с помощью дополнительных плат можно увеличить емкость оперативной памяти.

С 1980 г. на рынке появились ПК IBM PC, самой важной особенностью которых стала так называемая открытая архитектура. Эта архитектура, во-первых, использует принцип взаимо­заменяемости, т.е. использования для сборки ПК узлов от разных производителей (но соответст­вующих определенным соглашениям), а во-вторых, предоставляет возможность доукомплек­тования ПК, наращивания его мощности уже в ходе эксплуатации ПК.

Системный блок. Центральная часть ПК, содержащая в себе практически все основные устройства, — системный блок. В системном блоке размещены основные узлы компьютера: микропроцессор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), дисководы для жестких магнитных дисков («винчестеров»), для гибких магнитных дисков и для компакт-дисков, системная шина, блок питания и др.

Материнская плата. Материнская (системная) плата — самая важная плата в компьютере. Именно к ней подключаются все другие устройства, входящие в состав системного блока ПК.

Функции материнской платы — связь и координация действий всех устройств компьютера, передача сигнала от одного устройства к другому. Видимая часть материнской платы — набор разъемов, предназначенных для установки тех или иных комплектующих.

На материнской плате, как правило, размещаются:

-       микропроцессор;

-       генератор тактовых импульсов;

-       блоки (микросхемы) оперативной памяти (ОЗУ) и постоянной памяти (ПЗУ);

-       адаптеры клавиатуры, жестких дисков (НЖМД) и гибких дисков (НГМД);

-       таймер и др.

На материнской плате находятся слоты (разъемы) разных типов для подключения звуковой карты, встроенного модема, видеокарты, оперативной памяти. А также разъемы («порты») на задней стенке компьютера, предназначенные для подключения таких внешних устройств, как принтер,  «мышь» и т.д.

Структура компьютера — это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.

Рассмотрим состав и назначение основных блоков ПК (рис. 3.5).

 

Рис. 3.5. Структурная схема персонального компьютера

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.

-   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, как говорилось выше, входят: устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ), микропроцессорная память (МПП), интерфейсная система. Интерфейсная система 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.

Основные характеристики микропроцессоров

Тактовая частота — общепринятый показатель скорости процессора, измеряется в мегагерцах (1 МГц = 1 млн. тактов в секунду) и показывает, сколько операций способен выполнить МП в течение секунды. Чем выше тактовая частота МП (при прочих равных условиях), тем выше его быстродействие.

Реально при решении различных задач используются различные наборы операций. Производительность МП определяется как определённое количество операций в секунду. Но каждая операция требует для своего выполнения вполне определенное количество тактов. Например, МП с частотой 100 МГц обеспечивает выполнение приблизительно 20 млн. коротких операций (сложение и вычитание с фиксированной запятой, пересылка информации и др.) в секунду.

Разрядность — максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно, т.е. обрабатываться за один такт (16-, 32- или 64-разрядные МП и т.д.). Чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК.

  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  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 разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через кон­троллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором         либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему — контроллер    шины, формирующий основные сигналы управления. Обмен информацией между внешни­ми устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.

Память ВМ делится на внутреннюю (основную) и внешнюю. Внутренняя память включает в себя ОЗУ, кэш-память, ПЗУ.

Основная память (ОП). Она предназначена для хранения и оперативного обмена ин­     формацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство(ОЗУ).

 ПЗУ (ROM — Read-Only Memory—память только для чтения) — постоянное запоминающее устройство также строится на основе установленных на материнской плате модулей. ПЗУ используется для хранения и чтения неизменной информации, некоторых часто встречающихся величин, стандартных программ и т.п. Как правило, информация в ПЗУ записывается на заводе (фирме)-изготовителе. Например, на системной плате устанавливается специальная микросхема BIOS (Basic Input-Output System) — базисная система ввода-вывода. В ПЗУ записаны программы, реализующие функции ввода-вывода, а также программа тестирования компьютера в момент включения питания и ряд других специальных программ. ПК не может изменять программы ПЗУ или добавлять новые. Эта память является энергонезависимой.

Кроме ПЗУ в состав BIOS входит полупостоянная память, в которой хранятся настройки компьютера (конфигурации ПК) и системного времени. Полупостоянная память подпитывается в момент отключения ПК от литиевой батарейки и информацию в ней можно изменять.

ОЗУ (RAM — Random Access Memory — память с произвольным доступом) — оперативное запоминающее устройство, которое позволяет с большой скоростью записывать и считывать информацию, подготовленную для МП. ОЗУ—это совокупность специальных электронных ячеек, каждая из которых может хранить определённое число бит информации. Номер ячейки называется адресом. ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. Главными достоинствами оперативной памяти являются ее 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).

Кэш-память (так называемая сверхоперативная память) предназначена для согласования скорости работы медленных устройств с более быстрыми. Для «быстрых» компьютеров необходимо обеспечить быстрый доступ к оперативной памяти, иначе МП будет простаивать, т.е. быстродействие ПК уменьшится. Для этого в качестве буфера между ОП и МП используется кэш­память. То есть МП непосредственно обменивается информацией с кэш-памятью, а она уже осуществляет обмен с ОЗУ. Наличие кэш-памяти может увеличить производительность компью­тера на 20%. Аналогично кэш-память используется при обмене данными между оперативной памятью и внешним накопителем.

Одна кэш-память — самая быстрая, встроена непосредственно в процессор. Это кэш-память первого уровня. Есть еще одна кэш-память, более медленная, но размер ее больше. Это кэш-память второго уровня. Находится она вне процессора на материнской плате.

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 хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, но наиболее распространенными, имеющимися практически на любом компьютере, являются накопители на жестких (НЖМД),  гибких (НГМД) магнитных, оптических  дисках и др.

Назначение этих накопителей — хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. Разли­чаются накопители лишь конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации.

Накопители на оптических дисках (НОД). Принцип всех существующих ныне оптических дисководов основан на использовании луча лазера для записи и чтения информации в цифровом виде.

По функциональному признаку НОД делятся на три категории:

1)НОД только для чтения (без возможности записи). В связи с ростом объемов и сложности программного обеспечения, широким внедрением мультимедиа-приложений получили широкое распространение устройства для чтения оптических дисков — CD-ROM. Чтение информации с таких дисков осуществляется с помощью луча лазера небольшой мощности. При этом обеспечивается высокая надежность хранения информации при многократном считывании. Объем информации на таком диске — 650 Мб и более.

2)НОД с однократной записью и многократным чтением (CD-R). На оптический диск в таких дисководах пользователь может один раз записать информацию, но ни стереть, ни перезаписать не удастся. Такие оптические диски удобны для архивирования и там, где важно хранить единожды записанную информацию в неизменном виде.

3)Перезаписывающие НОД (CD-RW) — дисководы с возможностью многократной записи информации. Такие диски могут не читаться на некоторых устаревших приводах CD-ROM.

Накопители DVD. Накопитель DVD (Digital Versatile Disc) — цифровой универсальный диск, предназначенный для хранения компьютерной информации большого объема и видео–, аудиоинформации высокого качества (такие носители выводят на новый уровень воспроизведение видео- и аудиоинформации на ПК). DVD-диски имеют емкость от 4,7 Гб (односторонние диски) до 17 Гб (двусторонние, двухслойные). DVD как и НОД могут быть с однократной записью и многократным чтением (DVD-R) и перезаписывающие DVD (DVD-RW).

Флэш-память. В 1984 г. компания Toshiba впервые представила новый вид памяти — флэш-память. Однако массово производить и широко использовать флэш-память начали только несколько лет назад. Сейчас флэш-память постепенно все активнее применяется для хранения и переноса данных. Флэш-память — это особый вид памяти, которая благодаря своим параметрам идеально подходит для мобильных устройств:

-        флэш-память не содержит механически движущихся частей (как обычные жесткие диски или CD), а поэтому потребляет значительно меньше энергии;

-        флэш-память допускает перезапись (изменение) хранимых в ней данных. В зависимости от типа флэш-памяти возможна перезапись информации от 10000 до 1000000 раз;

-        информация, записанная на флэш-память, может храниться очень длительное время (более 20 лет) и способна выдерживать значительные механические нагрузки (в несколько раз превышающие предельно допустимые для обычных жестких дисков);

-        флэш-память очень компактна. Размер флэш-карты составляет от 20 до 40 мм в длину и ширину, а толщина флзш-карты — до 3 мм;

-        флэш-память обладает достаточной емкостью — до 2 Гб.

Флэш-карта может быть вмонтирована в мобильное устройство, а может быть переносной и использоваться в нескольких устройствах. Например, информацию, записанную на флэш-карте цифрового фотоаппарата, можно прочитать на компьютере.

Существует несколько типов карт флэш-памяти. На данный момент, по оценкам аналитиков, наиболее распространенными типами флэш-карт являются CompactFlash и SD/MMC. CompactFlash является сейчас наиболее универсальным типом флэш-карт и может использоваться во многих устройствах. CompactFlash, в частности, используется во многих цифровых фотоаппаратах.

Магнитооптические диски. Информация на магнитооптических дисках хранится на магнитном носителе, защищенном прозрачной пленкой, а чтение и запись осуществляются с помощью луча лазера. Внешне такие диски похожи на НГМД, но емкость таких дисков (да и стоимость тоже) значительно больше — от 128 Мб до нескольких Гигабайт.

Источник питания. Это блок, содержащий системы автономного и сетевого энерго­питания ПК.

Таймер. Это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимос­ти автоматический съем 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 зависят возможность и эффективность примене­ния ПК в системах управления и в народном хозяйстве в целом.

ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователя­ми, объектами управления и другими ВМ. 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 машины”, например, со сложными 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, подсоединенные к компьютеру.

К устройствам ввода информации относятся:

-  клавиатура — устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК .

- графические планшеты (диджитайзеры)—для ручного ввода графической информации, изображений путем 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): джойстик — рычаг, мышь, трекбол—шар в оправе, световое перо и др. — для ввода графической информации на экран             дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК;

-  сенсорные экраны — для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК.

К устройствам вывода информации относятся:

- принтеры — печатающие устройства для регистрации информации на бумажный 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, электростатические, 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 цветное изображение и передача полутонов; наибольшая разрешающая способность и четкость изображения у лазерных плоттеров, но они самые дорогие.  Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи и т.п.) и для подключения ПК к каналам  связи, к другим ВМ и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы, "стыки",  мультиплексоры передачи данных, модемы;

- сетевой адаптер является внешним интерфейсом ПК и служит для подключения его к каналу связи для обмена информацией с  другими ВМ, 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 (multimedia-многосредовость) — это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и др.

К средствам мультимедиа относятся устройства речевого ввода и вывода информации. Широко распространенные уже сейчас сканеры (поскольку они позволяют автоматически вводить в компьютер печатные тексты и рисунки); высококачественные видео- (video-) и звуковые (sound-) платы, платы видеозахвата (video grabber), снимающие изображение с ви­деомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в ПК; высококачественные акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видео­экранами. Но, пожалуй, еще с большим основанием к средствам мультимедиа относят внешние запоминающие устройства большой емкости на оптических дисках, часто исполь­зуемые для записи звуковой и видеоинформации.

Стоимость компактных (CD) и DVD- дисков, при их массовом тиражировании невысокая, а, учитывая их большую емкость (650 Мбайт, а новых типов — 1-20 Гбайт и выше), высокую на­дежность, стоимость хранения информации для пользователя оказы­вается несравнимо меньшей, нежели на магнитных дисках. Это уже привело к тому, что большинство программных средств самого разного назначения поставляется на CD. Таким образом, CD- и DVD-ROM открывают доступ к огромным объемам разнообразной и по функциональному назначению, и по среде воспроизведения информации, записанной на дисках.

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

Математический сопроцессор 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 (совмещено во времени) с основным МП, но под управлением пос­леднего. Ускорение операций происходит в десятки раз. Последние модели МП включают сопроцессор в свою структуру.

Контроллер прямого доступа к памяти 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 счет 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 десятки 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 выдает сигнал прерывания в МП. МП, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания  того прерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы. Контроллер прерываний является программируемым.

 

Сайт создан по технологии «Конструктор сайтов e-Publish»