Архитектура ПК

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  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 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  преобразования цифровых кодов в  буквы и слова, воспроизводимые  через 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 - 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 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 ЭВМ и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы, "стыки", мультиплексоры 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 (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 (videograbber), 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 дисков (CD) при  их массовом тиражировании невысока, а учитывая их большую емкость (650 – 700 Мбайт, а новых типов 8 Гбайт и выше), высокие надежность и долговечность, стоимость хранения информации на CD для пользователя оказывается несравнимо меньшей, нежели на магнитных дисках. На компакт-дисках организуются обширные базы данных, целые библиотеки; на CD представлены словари, справочники, энциклопедии; обучающие и развивающие программы по общеобразовательным и общим предметам

CD широко используется, например, при  изучении иностранных языков, правил дорожного движения, бухгалтерского учета, законодательства вообще и налогового законодательства в частности. И все это сопровождается текстами 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, и о большом количестве программ компьютерных игр, хранимых на CD

Таким образом, CD-ROM открывает доступ к огромным объемам разнообразной и по функциональному назначению, и по среде воспроизведения информации, записанной на компакт-дисках

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

Прерывания возникают при работе компьютеры 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 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 прерывания

Внутримашинный системный интерфейс 

Внутримашинный системный  интерфейс - система связи и сопряжения узлов и блоков ЭВМ между собой -представляет собой совокупность электрических линий связи (проводов), схем сопряжения с компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов

Существует два варианта организации  внутримашинного интерфейса

1. Многосвязный интерфейс : каждый блок ПК связан с прочими блоками своими локальными проводами; интерфейс применяется, как правило,только в простейших бытовых

2. Односвязный интерфейс : все блоки ПК связаны друг с другом через общую или системную шину

В подавляющем большинстве современных  ПК в качестве системного интерфейса используется системная шина. Структура и состав системной шины были рассмотрены ранее. Важнейшими функциональными характеристиками системной шины являются : количество обслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность , т.е. максимально возможная скорость передачи информации . Пропускная способность шины зависит от ее разрядности ( есть шины 8-,16-,32- и 64- разрядные) и тактовой частоты , на которой шина работает

В качестве системной шины в разных ПК использовались и могут использоваться:

шины расширений - шины общего назначения, позволяющие подключать большое число самых разнообразных устройств;

локальные шины , специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса

Шины расширений

Шина Multibus 1 имеет две модификации: PC/XT bus (personal Computer eXtended Technology )- ПК с расширенной техлогией ) и PC/AT bus (PC Advachnology - ПК с усовершенствованной технологией )

Шина PC/XT bus - 8-раазрядная шина данных и 20-разрядная шина адреса, рассчитанная на тактовую частоту 4,77 МГц; имеет 3 линии для адаптерных прерываний и 3 канала для прямого доступа в память ( каналы DMA - Direkt Memory Access). Шина адреса ограничивала адресное пространство микропроцессора величиной 1 Мбайт . Используется с МП 8086,8088

Шина PC/At bus - 16 разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота до 8 МГц , но может использоваться и МП с тактовой частотой 16 МГц ,так как контроллер шины может делить частоту пополам ; имеет 7 линий для адаптерных прерываний и 4 канала DMA . Используется с МП 80286

Шина ISA ( Industry Standard Architecture - архитектура промышленного стандарта ) - 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота 16 МГц, но может использоваться и МП с тактовой частотой 50 МГц (коэффициент деления увеличен ); по сравнению с шинами PC/XT и PC /AT увеличено количество линий аппаратных прерываний с 7 до 15 и каналов прямого доступа к памяти DMA с 7 до 11. Благодаря 24-разрядной шине адреса адресное пространство увеличилось с 1 до 16 Мбайт. Теоретическая пропускная способность шины данных равна 16 Мбайт /с, но реально она ниже, около 3-5 Мбайт/с, ввиду ряда особенностей ее использования. С появлением 32-разрядных высокоскоростных МП шина ISA стала существенным препятствием увеличения быстродействия ПК

Шина EISA ( Extended ISA ) - 32-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, создана в 1989 г. Адресное пространство шины 4 Гбайта, пропускная способность 33 Мбайт /с, причем скорость обмена по каналу МП- КЭШ -ОП определяется параметрами микросхем памяти , увеличено число разъемов расширений , ( теоретически может подключаться до 15 устройств , практически до- 10 ). Улучшена система прерываний ,шина EISA обеспечивает автоматическое конфигурирование системы и управление DMA ; полностью совместима с шина ISA( есть разъемы для подключения ISA ) ,шина поддерживает многопроцессорную архитектуру вычислительных систем. Шина EISA весьма дорогая и применяется в скоростных ПК , сетевых серверах и рабочих станциях

Шина MCA ( Micro Channel Architecture) - 32-разрядная шина, созданная фирмой IBM в 1987 г. для машин PC /2 , пропускная способность 76 Мбайт/с ,рабочая частота 10-20 Мгц. По своим прочим характеристикам близка к шине EISA ,но не совместима ни с ISA,ни с EISA. Поскольку ЭВМ PS/2 не получили широкого распространения, в первую очередь ввиду отсутствия наработанного обилия прикладных программ, шина MCA также используется не очень широко

Локальные шины

Современные вычислительные системы характеризуются:

стремительным ростом быстродействия микропроцессоров ( например, МП Pentium может выдавать данные со скоростью 528 Мбайт /с по 64-разрядной шине данных ) и некоторых внешних устройств ( так, для отображения цифрового полноэкранного видео с высоким качеством необходима пропускная способность 22 Мбайт/с );

появлением программ, требующих выполнения большого количества интерфейсных операций (например, программы обработки графики в Windows , работа в среде Multimedia)

В этих условиях пропускной способности  шин расширения, обслуживающих одновременно несколько устройств, оказалось недостаточно для комфортной работы пользователей, ибо компьютеры стали подолгу "задумываться "

Разработчики  интерфейсов пошли по пути создания локальных шин, подключаемых непосредственно  к шине МП, работающих на тактовой частоте  МП, (но не на внутренней рабочей его частоте) и обеспечивающих связь с некоторыми скоростными внешними по отношению к МП, устройствами: основной и внешней памятью, видеосистемами и др

Сейчас  существуют два основных стандарта  универсальных локальных шин : VLB и PCI

Шина VLB (VЕSA Local Bus- локальная шина VESA) -разработана в 1992 г. Ассоциацией стандартов видеооборудования (VESA - Video Electronics Standards Association) , поэтому часто ее называют шиной VESA

Шина VLB ,по существу, является расширением внутренней шины МП для связи с видеоадаптером и реже с винчестером, на подходе 64-разрядный вариант шины. Реальная скорость передачи данных по VLB -80 Мбайт /с (теоретически достижимая - 132 Мбайт /с)

Недостатки шины:

рассчитана на работу МП 80386 ,80486 , не адаптирована для процессоров Pentium, Pentium Pro , Power PC;

жесткая зависимость от тактовой частоты  МП (каждая шина VLB рассчитана только на конкретную частоту);

малое количество подключаемых устройств - к шине VLB могут подключаться только четыре устройства;

отсутствует арбитраж шины - могут быть конфликты между подключаемыми устройствами.  
Шина PCI (Peripheral Component Interconnect - соединение внешних устройств)- разработана в 1993 г. фирмой Intel

Шина PCI является на много более  универсальной, чем VLB. Имеет свой адаптер, позволяющий ей настраиваться на работу с любым МП: 80486, Pentium , Pentium Pro , Power PC и др.; она позволяет подключать 10 устройств самой разной конфигурации с возможностью автоконфигурирования, имеет свой "арбитраж", средства управления передачей данных. Шина PCI пока еще весьма дорогая

Разрядность PCI -32 бита с возможностью расширения до 64 бит, теоретическая  пропускная способность 132 Мбайта/с (реальная вдвое ниже)

Шина PCI хотя и является локальной, выполняет и многие функции шины расширения, в частности, шины расширения ISA, EISA, MCA (а она совместима сними) при наличии шины PCI подключаются не посредственно к МП (как это имеет место при использовании шины VLB ) а к самой шине PCI (через интерфейс расширения)