Назначение основных блоков ЭВМ

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 4Следующая ⇒

Компьютер - это многофункциональное электронное устройство, предназначенное для накопления, обработки и передач» информации. Под архитектурой персонального компьютера понимается его логическая организация, структура и ресурсы, т.е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени.

В основу построения большинства компьютеров положены принципы, сформулированные Джоном фон Нейманом:

· Принцип программного управления - программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

· Принцип однородности памяти - программы и иные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять те же действия, что и над данными!

· Принцип адресности - основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек.

Компьютеры, построенные на этих принципах, имеют классическую архитектуру.

Архитектура компьютера определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера, к которым относятся: центральный процессор; основная память; внешняя память; периферийные устройства.

Конструктивно персональные компьютеры выполнены в виде центрального системного блока, к которому через специальные разъемы присоединяются другие устройства. В состав системного блока входят все основные узлы компьютера: системная плата; блок питания; накопитель на жестком магнитном диске; накопитель на оптическом диске; разъемы для дополнительных устройств.

На системной (материнской) плате в свою очередь размещаются: микропроцессор; математический сопроцессор; генератор тактовых импульсов; микросхемы памяти; контроллеры внешних устройств; звуковая и видеокарты и другие устройства.

Основными функциональными характеристиками персонального компьютера являются:

· производительность, быстродействие, тактовая частота;

· разрядность микропроцессора и кодовых шин интерфейса.;

· типы системного и локальных интерфейсов;

· емкость оперативной памяти;

· емкость накопителя на жестких магнитных дисках;

· наличие и тип накопителя на оптических дисках;

· наличие и тип модема;

· наличие и виды мультимедийных средств;

· имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы;

· аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ;

· возможность работы в вычислительной сети;

· надежность;

· стоимость;

· габариты и вес.

Материнская плата

Материнская плата (англ. motherboard) - это сложная многослойная печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера (рисунок 17). Как правило, материнская плата содержит разъёмы (слоты) для подключения различных видов памяти, а также дополнительных контроллеров, для подключения которых обычно используются шины USB, PCI и PCI-Express

Внешний вид материнский платы

Компьютерная шина (от англ. computer bus) - в архитектуре компьютера подсистема, которая передаёт данные между функциональными блоками компьютера. Обычно шина управляется драйвером. В отличие от связи точка-точка, к шине можно подключить несколько устройств по одному набору проводников. Каждая шина определяет свой набор коннекторов(соединений) для физического подключения устройств, карт и кабелей.

Компоненты материнской платы

Шина адреса - компьютерная шина, используемая центральным процессором или устройствами для указания физического адреса слова ОЗУ (или начала блока слов), к которому устройство может обратиться для проведения операции чтения или записи.

Основной характеристикой шины адреса является её ширина в битах. Ширина шины адреса определяет объём адресуемой памяти. Например, если ширина адресной шины составляет 16 бит, и размер слова памяти равен одному байту (минимальный адресуемый объём данных), то объём памяти, который можно адресовать, составляет 216 = 65536 байтов (64 КБ).

Если рассматривать структурную схему микро-ЭВМ, то адресная шина активизирует работу всех внешних устройств по команде, которая поступает с микропроцессора.

Шина данных - в компьютерной технике принято различать выводы устройств по назначению: одни для передачи информации (например, в виде сигналов низкого или высокого уровня), другие для сообщения всем устройствам - кому эти данные предназначены.

На материнской плате шина может также состоять из множества параллельно идущих через всех потребителей данных проводников (например, в архитектуре IBM PC).

Основной характеристикой шины данных является её ширина в битах. Ширина шины данных определяет количество информации, которое можно передать за один такт.

Основным компонентом материнской платы является чипсет (англ. chipset) центрального процессора - набор микросхем, обеспечивающих подключение ЦПУ к оперативному ПАМЯТИ (ОЗУ) и контроллерам периферийных устройств. Как правило, современные наборы системной логики строятся на базе двух микросхем: «северного» и «южного мостов».

Северный мост (англ. Northbridge), MCH (Memory controller hub), системный контроллер - обеспечивает подключение ЦПУ к узлам, использующим высокопроизводительные шины: ОЗУ, графический контроллер.

Для подключения ЦПУ к системному контроллеру могут использоваться такие FSB-шины, как Hyper-Transport и SCI.

Обычно к системному контроллеру подключается ОЗУ. В таком случае он содержит в себе контроллер памяти. Таким образом, от типа применённого системного контроллера обычно зависит максимальный объём ОЗУ, а также пропускная способность шины памяти персонального компьютера. Но в настоящее время имеется тенденция встраивания контроллера ОЗУ непосредственно в ЦПУ (например, контроллер памяти встроен в процессор в AMD K8 и Intel Core i7), что упрощает функции системного контроллера и снижает тепловыделение.

В качестве шины для подключения графического контроллера на современных материнских платах используется PCI Express. Ранее использовались общие шины (ISA, VLB, PCI) и шина AGP.

Южный мост (англ. Southbridge), ICH (I/O controller hub), периферийный контроллер - содержит контроллеры периферийных устройств (жёсткого диска, Ethernet, аудио), контроллеры шин для подключения периферийных устройств (шины PCI, PCI-Express и USB), а также контроллеры шин, к которым подключаются устройства, не требующие высокой пропускной способности (LPC - используется для подключения загрузочного ПЗУ; также шина LPC используется для подключения мультиконтроллера (англ. Super I/O) - микросхемы, беспечивающей поддержку «устаревших» низкопроизводительных интерфейсов передачи данных: последовательного и параллельного интерфейсов, контроллера клавиатуры и мыши).

Как правило, северный и южный мосты реализуются в виде отдельных микросхем, однако существуют и одночиповые решения. Именно набор системной логики определяет все ключевые особенности материнской платы и то, какие устройства могут подключаться к ней.

Форм-фактор материнской платы - стандарт, определяющий размеры материнской платы дляперсонального компьютера, места ее крепления к корпусу; расположение на ней интерфейсов шин, портов ввода/вывода, сокета центрального процессора (если он есть) и слотов для оперативной памяти, а также тип разъема для подключения блока питания.

Форм-фактор (как и любые другие стандарты) носит рекомендательный характер. Спецификация форм-фактора определяет обязательные и опциональные компоненты. Однако подавляющее большинство производителей предпочитают соблюдать спецификацию, поскольку ценой соответствия существующим стандартам является совместимость материнской платы и стандартизированного оборудования (периферии, карт расширения) других производителей.

Структурная схема персонального компьютера представлена на рис.

Микропроцессор

Микропроцессор (МП) — центральное устройство ПК, предназначенное для управ-

ления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических

операций над информацией.

В состав микропроцессора входят несколько компонентов:

‰ ‰ Устройство управления (УУ) формирует и подает во все блоки машины в нужные

моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы),

обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих

операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией,

и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера; опорную последо-

вательность 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 подключа-

ется дополнительный математический сопроцессор).

‰ ‰ Микропроцессорная память (МПП) предназначена для кратковременного хране-

ния, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в ближайшие

такты работы машины; МПП строится на регистрах для обеспечения высокого

быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает ско-

рость записи, поиска и считывания 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 предназначена для сопряжения и связи

с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буфер-

ные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ)

и системной шиной.

Интерфейс (interface) — совокупность средств сопряжения и связи устройств компью-

тера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие.

Порты ввода-вывода (I/O ports) — элементы системного интерфейса ПК, через кото-

рые МП обменивается информацией с другими устройствами.

‰ ‰ Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических им-

пульсов, частота которых определяет тактовую частоту системной шины. Тактовая

частота микропроцессора значительно больше: она равна тактовой частоте шины,

увеличенной в N раз (N является множителем частоты). Промежуток времени

между соседними импульсами определяет время одного такта, или, просто, такт

работы машины. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основ-

ных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость

его работы, поскольку каждая операция в вычислительной машине выполняется

за определенное количество тактов.

Системная шина

Системная шина — основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая со-

пряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина включает в себя:

‰ ‰ кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для па-

раллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;

‰ ‰ кодовую шину адреса (КША), содержащую провода и схемы сопряжения для па-

раллельной 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, содержащую провода и схемы сопряжения для подключения блоков

ПК к системе энергопитания.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

‰ ‰ между микропроцессором и основной памятью;

‰ ‰ между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

‰ ‰ 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 микропро-

цессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему

контроллера шины, формирующую основные сигналы управления.

Основная память

Основная память (ОП) предназначена для хранения и оперативного обмена информа-

цией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств:

постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устрой-

ство (ОЗУ).

‰ ‰ ПЗУ (ROM — Read Only Memory) предназначено для хранения неизменяемой

(постоянной) программной и справочной информации; позволяет оперативно

только считывать информацию, хранящуюся в нем (изменить информацию в ПЗУ

нельзя);

‰ ‰ ОЗУ (RAM — Random Access Memory) предназначено для оперативной записи,

хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно уча-

ствующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в теку-

щий 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 оперативной памяти следует отметить невозмож-

ность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость).

Кроме основной памяти на системной плате ПК имеется и энергонезависимая память

CMOS RAM (Complementary Metal-Oxide Semiconductor RAM), постоянно питаю-

щаяся от своего аккумулятора; в ней хранится информация об аппаратной конфигу-

рации ПК (обо всей аппаратуре, имеющейся в компьютере), которая проверяется при

каждом включении системы.

Внешняя память

Внешняя память относится к внешним устройствам ПК и используется для долговре-

менного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для

решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение

компьютера. Внешняя память представлена разнообразными видами запоминающих

устройств, но наиболее распространенными из них, имеющимися практически на лю-

бом компьютере, являются показанные на структурной схеме накопители на жестких

(НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках.

Назначение этих накопителей — хранение больших объемов информации, запись и вы-

дача информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. Различаются

НЖМД и НГМД конструктивно, объемами хранимой информации и временем ее

поиска, записи и считывания. В качестве устройств внешней памяти широко исполь-

зуются также накопители на оптических дисках ( CD — Compact Disk, DVD — Digital

Versatile Disk), накопители на флэш-дисках и реже — запоминающие устройства на

кассетной магнитной ленте ( НКМЛ, стримеры) и накопители на магнитооптических

дисках ( НМОД ).

Источник питания

Источник питания — блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопита-

ния ПК.

Таймер

Таймер — внутримашинные электронные часы реального времени, 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 электросети продолжает ра-

ботать.

Внешние устройства

Внешние устройства (ВУ) ПК — важнейшая составная часть любого вычислительного

комплекса, достаточно сказать, что стоимость ВУ составляет до 80–85% стоимости

всего ПК.

ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями,

объектами управления и другими компьютерами.

К внешним устройствам относятся:

‰ ‰ внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК;

‰ ‰ диалоговые средства пользователя;

‰ ‰ устройства ввода информации;

‰ ‰ устройства вывода информации;

‰ ‰ средства связи и телекоммуникаций.

Диалоговые средства пользователя включают в свой состав:

‰ ‰ видеомонитор (видеотерминал, дисплей) — устройство для отображения вводимой

и выводимой из ПК информации;

‰ ‰ устройства речевого ввода-вывода — быстро развивающиеся средства мультимедиа.

Это различные микрофонные акустические системы, «звуковые мыши» со слож-

ным программным обеспечением, позволяющим распознавать произносимые че-

ловеком буквы и слова, идентифицировать их и кодировать; синтезаторы звука,

выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводи-

мые 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 (дигитайзеры) — устройства для ручного ввода графиче-

ской информации, изображений путем перемещения по планшету специального

указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняется считывание

координат его местоположения и ввод этих координат в ПК;

‰ ‰ сканеры (читающие автоматы) — оборудование для автоматического считывания

с бумажных и пленочных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графи-

ков, рисунков, чертежей;

‰ ‰ устройства целеуказания (графические манипуляторы), предназначенные для ввода

графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора

по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК

(джойстик — рычаг, мышь, трекбол — шар в оправе, световое перо и т. д.);

‰ ‰ сенсорные экраны — для ввода отдельных элементов изображения, программ или

команд с экрана дисплея в ПК.

К устройствам вывода информации относятся:

‰ ‰ принтеры — печатающие устройства для регистрации информации на бумажный

или пленочный носитель;

‰ ‰ графопостроители (плоттеры) — устройства для вывода графической информации

(графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель.

Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими

средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, цифро-аналоговые

и аналого-цифровые преобразователи и т. п.) и для подключения ПК к каналам связи,

к другим компьютерам и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы

и карты — сетевые адаптеры, «стыки», мультиплексоры передачи данных, модемы —

модуляторы (демодуляторы)).

В частности, показанный на рис. 7.1 сетевой адаптер относится к внешнему интерфейсу

ПК и служит для подключения его к каналу связи с целью обмена информацией с дру-

гими компьютерами при работе в составе вычислительной сети. В качестве сетевого

адаптера чаще всего используется модем.

Многие из названных выше устройств относятся к условно выделенной группе средств

мультимедиа.

Мультимедиа (multimedia, «многосредовость») — это комплекс аппаратных и про-

граммных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые

разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и т. д.

К средствам мультимедиа относятся устройства речевого ввода и устройства речевого

вывода информации; микрофоны и видеокамеры, акустические и видеовоспроизво-

дящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами;

звуковые и видеоадаптеры, платы видеозахвата, снимающие изображение с видео-

магнитофона или видеокамеры и вводящие его в ПК; широко распространенные уже

сейчас сканеры, позволяющие автоматически вводить в компьютер печатные тексты

и рисунки; наконец, внешние запоминающие устройства большой емкости на оптиче-

ских дисках, часто используемые для записи звуковой и видеоинформации.

Дополнительные интегральные

Микросхемы

К системной шине и к МП ПК наряду с типовыми внешними устройствами могут быть

подключены и некоторые дополнительные интегральные микросхемы, расширяющие

и улучшающие функциональные возможности микропроцессора:

‰ ‰ математический сопроцессор;

‰ ‰ контроллер прямого доступа к памяти;

‰ ‰ сопроцессор ввода-вывода;

‰ ‰ контроллер прерываний и т. д.1

Математический сопроцессор используется для ускоренного выполнения опера-

ций над двоичными числами с фиксированной и 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 (одновременно) с основным МП, под его

управлением. Ускорение операций происходит в десятки раз. Современные модели

МП, начиная с МП 80486 DX, включают сопроцессор в свою структуру.

Контроллер прямого доступа к памяти (DMA — Direct Memory Access) обеспечи-

вает обмен данными между внешними устройствами и оперативной памятью без уча-

стия микропроцессора, что существенно повышает эффективное быстродействие ПК.

Иными словами, режим DMA позволяет освободить процессор от рутинной пересылки

данных между внешними устройствами и ОП, отдав эту работу контроллеру DMA;

процессор в это время может обрабатывать другие данные или другую задачу в много-

задачной системе.

Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с МП существенно ускоряет

выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств

(дисплея, принтера, НЖМД, НГМД и т. д.); освобождает МП от обработки процедур

ввода-вывода, в том числе реализует и режим прямого доступа к памяти.

Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания. Прерывание — времен-

ная приостановка выполнения одной программы с целью оперативного выполнения

другой, в данный момент более важной (приоритетной) программы. Контроллер при-

нимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета

этого запроса и выдает сигнал прерывания в МП. Микропроцессор, получив этот сиг-

нал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению

специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило внешнее

устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выпол-

нение прерванной программы. Контроллер прерываний является программируемым.

Прерывания возникают при работе компьютера постоянно, достаточно сказать, что

все процедуры ввода-вывода информации выполняются по прерываниям. Например,

в компьютерах IBM PC прерывания от таймера возникают и обслуживаются контрол-

лером прерываний 18 раз в секунду (длятся эти прерывания тысячные доли секунды

и поэтому пользователь их не замечает).

Элементы конструкции ПК

Конструктивно ПК выполнены в виде центрального системного блока, к которому

через разъемы — стыки подключаются внешние устройства: дополнительные блоки

памяти, клавиатура, дисплей, принтер и т. д.

Системный блок обычно включает в себя системную плату, блок питания, накопители

на дисках, разъемы для дополнительных устройств и платы расширения с контролле-

рами — адаптерами внешних устройств.

На системной плате (часто ее называют материнской платой — motherboard), в свою

очередь, размещаются:

‰ ‰ микропроцессор;

‰ ‰ системные микросхемы (чипсеты);

‰ ‰ генератор тактовых импульсов;

‰ ‰ модули (микросхемы) ОЗУ и ПЗУ;

‰ ‰ микросхема CMOS-памяти;

‰ ‰ адаптеры клавиатуры, НЖМД и НГМД;

‰ ‰ контроллер прерываний;

‰ ‰ таймер и т. д.

Многие из них подсоединяются к материнской плате с помощью разъемов.

⇐ Предыдущая 123 4 Следующая ⇒