Базовая конфигурация персонального компьютера. Базовая аппаратная конфигурация ПК

 

Процессор

Процессор  —  основная  микросхема  компьютера,  в  которой  и  производятся  все  вычисления. Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние  ячейки  процессора  называют  регистрами.  Важно  также  отметить,  что  данные,  попавшие  в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах.  Таким  образом,  управляя  засылкой  данных  в  разные  регистры  процессора,  можно  управлять обработкой данных. На этом и основано исполнение программ.

С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых  шинами.  Основных шин три:  шина данных, адресная шина  и командная шина.

Адресная  шина.  У  процессоров  семейства  Pentium  (а именно  они наиболее  распространены  в персональных компьютерах) адресная  шина  32-разрядная,  то  есть  состоит  из  32  параллельных  проводников.  В зависимости  от  того,  есть  напряжение  на  какой-то  из  линий  или  нет,  говорят,  что  на  этой  линии  выставлена единица или ноль. Комбинация  из  32  нулей  и  единиц  образует  32-разрядный  адрес,  указывающий  на  одну  из  ячеек оперативной  памяти.  К  ней  и  подключается  процессор  для  копирования  данных  из  ячейки  в  один  из  своих регистров.

Шина  данных.  По  этой  шине  происходит  копирование  данных  из  оперативной  памяти  в  регистры процессора и обратно. В современных персональных компьютерах  шина данных, как правило, 64-разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.

Шина  команд.  Для  того  чтобы  процессор  мог  обрабатывать  данные,  ему  нужны  команды.  Он  должен знать,  что  следует  сделать  с  теми  байтами,  которые  хранятся  в  его  регистрах.  Эти  команды  поступают  в процессор  тоже  из  оперативной  памяти,  но  не  из  тех  областей,  где  хранятся  массивы  данных,  а  оттуда,  где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. В  большинстве  современных  процессоров  шина  команд  32-разрядная,  хотя  существуют  64-разрядные процессоры и даже 128-разрядные.

Система команд процессора.

Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор  над данными, образует так называемую систему команд процессора. Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют одинаковые или близкие системы команд. Процессоры, относящиеся к разным семействам, различаются по системе команд и невзаимозаменяемы.

Процессоры  с  расширенной  (CISC  процессоры)  и  сокращенной  системой  команд  (RISC-процессоры).

Персональные компьютеры платформы IВМ РС ориентированы на использование CISC-процессоров.

Совместимость  процессоров.  Если  два  процессора  имеют  одинаковую  систему  команд,  то  они  полностью  совместимы  на  программном  уровне.  Это  означает,  что  программа,  написанная  для  одного процессора,  может  исполняться  и  другим  процессором.  Процессоры,  имеющие  разные  системы  команд,  как правило, несовместимы или ограниченно совместимы на программном уровне.

Группы  процессоров,  имеющих  ограниченную  совместимость,  рассматривают  как  семейства процессоров. Так, например, все процессоры Intel Pentium относятся к так называемому семейству x86.

Основные параметры  процессоров.

Основными параметрами процессоров  являются: рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент  внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти.

Разрядность  процессора  показывает,  сколько бит данных  он  может принять и обработать  в своих регистрах за один раз (за один такт).  Разрядность процессора  определяется  разрядностью командной шины, а не не разрядностью шины данных. Первые процессоры xS6 были 16-разрядными. Начиная  с процессора 80386 они  имеют  32-разрядную  архитектуру.  Современные  процессоры  семейства  Intel  Pentium  остаются  32-разрядными,  хотя  и  работают  с  64-разрядной  шиной  данных  В  ближайшем  будущем  предполагается проникновение 64-разрядных процессоров на персональные компьютеры.

Тактовая частота 

Исполнение  каждой  команды  занимает  определенное  количество  тактов.Чем  выше  частота  тактов, поступающих  на  процессор,  тем  больше  команд  он  может  исполнить  в  единицу  времени,  тем  выше  его производительность. Первые процессоры  х86  могли работать с частотой не выше 4,77 МГц, а сегодня рабочие частоты некоторых процессоров уже превосходят 3 миллиарда тактов в секунду (3 ГГц).

Кэш-память

Обмен  данными  внутри  процессора  происходит  в  несколько  раз  быстрее,  чем  обмен  с  другими  устройствами,  например  с  оперативной  памятью.  Для  того  чтобы  уменьшить  количество  обращений  к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область  —  так называемую  кэш-память. Это как бы «сверхоперативная  память».  Когда  процессору  нужны  данные,  он  сначала  обращается  в  кэш-память,  и'  только если  там  нужных  данных  нет,  происходит  его  обращение  в  оперативную  память.  Принимая  блок  данных  из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память. «Удачные» обращения в кэш-память называют  попаданиями в кэш.  Процент попаданий тем выше,  чем больше  размер  кэш-памяти,  поэтому высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш-памяти.

Микросхема ПЗУ и  система BIOS

В  момент  включения  компьютера  в  его  оперативной  памяти  нет  ничего  —  ни  данных,  ни  программ, поскольку  оперативная  память  не  может  ничего  хранить  без  подзарядки  ячеек  более  сотых  долей секунды,  но процессору нужны команды, в том числе и в первый момент после включения. Поэтому сразу после включения на адресной шине процессора выставляется стартовый адрес. Это происходит аппаратно, без участия программ (всегда одинаково). Процессор обращается по выставленному адресу за своей первой командой и далее начинает работать  по  программам.  Этот  исходный  адрес  не  может  указывать  на  оперативную  память,  в  которой  пока ничего нет. Он указывает на другой тип памяти — постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Микросхема ПЗУ  способна  длительное  время  хранить информацию,  даже  когда компьютер выключен.  Программы, находящиеся в ПЗУ, называют «зашитыми» — их записывают туда на этапе изготовления микросхемы Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует  базовую систему ввода-вывода  (BIOS  —  Basic  InputOutput  System).  Основное  назначение  программ  этого пакета  состоит в том,  чтобы проверить состав  и работоспособность  компьютерной  системы  и  обеспечить  взаимодействие  с  клавиатурой,  монитором,  жестким диском  и  дисководом  гибких  дисков.  Программы,  входящие  в BIOS,  позволяют нам наблюдать на  экране диагностические  сообщения,  сопровождающие  запуск  компьютера,  а  также  вмешиваться  в  ход  запуска  с помощью клавиатуры.

 

Энергонезависимая память CMOS

Выше  мы  отметили,  что  работа  таких  стандартных  устройств,  как  клавиатура,  может  обслуживаться программами,  входящими  в  BIOS,  но  такими  средствами  нельзя  обеспечить  работу  со  всеми  возможными устройствами.  Так,  например,  изготовители  BIOS  абсолютно  ничего  не  знают  о  параметрах  наших  жестких  и гибких дисков, им не известны ни состав, ни свойства произвольной вычислительной системы. Для того чтобы начать работу с другим оборудованием, программы', входящие в состав  BIOS,  должны знать, где можно найти нужные  параметры.  По  очевидным  причинам  их  нельзя  хранить  ни  в  оперативной  памяти,  ни  в  постоянном

запоминающем устройстве. Специально  для  этого  на  материнской  плате  есть  микросхема  «энергонезависимой  памяти»,  по технологии изготовления называемая  CMOS.  От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не стирается во время выключения компьютера, а от ПЗУ она отличается тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы. Эта микросхема постоянно  подпитывается  от  небольшой  аккумуляторной  батарейки,  расположенной  на  материнской  плате. Заряда  этой  батарейки  хватает  на  то,  чтобы  микросхема  не  теряла  данные,  даже  если  компьютер  не  будут включать месяцами.

В  микросхеме  CMOS  хранятся  данные  о  гибких  и  жестких  дисках,  о  процессоре,  о  некоторых  других устройствах  материнской  платы.  Тот  факт,  что  компьютер  четко  отслеживает  время  и  календарь  (даже  и  в

выключенном состоянии), тоже связан с тем, что показания системных  часов постоянно хранятся (и изменяются) в CMOS.

Таким образом, программы, записанные в  BIOS,  считывают данные  о  составе оборудования компьютера из микросхемы CMOS, после чего они могут выполнить обращение к жесткому диску, а в случае необходимости

и к гибкому, и передать управление тем программам, которые там записаны. Архитектура  современного  ПК  подразумевает  такую  логическую  организацию  аппаратных  средств компьютера,  при  которой  все  устройства  связываются  друг  с  другом  через  магистраль,  включающую  в  себя шины данных , адресов и управления.

Периферийные устройства персонального компьютера

Периферийные  устройства  персонального  компьютера  подключаются  к  его  интерфейсам  и  выполняют функцию ввода-вывода информации. По назначению периферийные устройства можно разделить на:

1.  Устройства ввода данных:

- клавиатура,

- мышь,

-  специальные манипуляторы (трекбол,  тачпад  –  сенсорная пластина, реагирующая на движение пальца пользователя по поверхности, инфракрасная мышь, пенмаус – аналог шариковой ручки, на конце которой установлен узел, регистрирующий величину перемещения

-  устройства  ввода  графических   данных  (сканеры,  графические   планшеты  –  дигитайзеры,  цифровые фотокамеры)

- сенсорный экран

- Веб-камера

- световое перо

2.  Устройства вывода данных:

- дисплей (монитор),

- принтеры,

- графопостроители

3.  Устройства  хранения  данных  – ВнЗУ  (внешние запоминающие  устройства),  накопители информации (обычно являются устройствами ввода/вывода одновременно)

- накопители на магнитных дисках (на жестких магнитных дисках, дисковод на гибких магнитных  дисках)

- CD – привод

- DVD – привод

- стримеры – накопители на  магнитных лентах

- флэш - диски

4. Устройства обмена данными

- модем

Аппаратное подключение внешних  устройств к компьютеру осуществляется через контроллер (адаптер). Контроллер  -  это  электронная  схема,  которая  управляет   внешним  устройством.  Все  контроллеры  или  адаптеры взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных,  которую  называют  шиной.  Системная  шина  является  каналом  соединения  микропроцессора, оперативной памяти и интегральных устройств. Физически шина находится на материнской плате. Контроллер периферийного устройства подключается к общей шине ПК. Соответственно, получается, что все  периферийные  устройства  персонального  компьютера  подключены  к  общей  шине  компьютера  через контроллеры. И к этой же общей шине подключаются процессор и оперативная память ПК.

Контроллер  осуществляет  постоянное  взаимодействие  с  процессором  и  оперативной  памятью  ПК  через общую шину ПК. Контроллер отвечает за получение информации от процессора и из оперативной памяти, и за передачу данных процессору или в оперативную память.

Периферийные  устройства  персонального  компьютера  бывают  внутренние  и  внешние. 

Внутренние устройства  устанавливаются  внутрь  ПК  (внутрь  системного  блока).  Примеры  внутренних  периферийных устройств персонального компьютера – это жесткие диски, встроенный привод CD-/DVD- дисков и т.п.

Внешние устройства подключаются к   портам ввода-вывода, при этом за взаимодействие этих устройств внутри  ПК  отвечают  порты  ввода-вывода.  Примеры  внешних  периферийных  устройств  персонального компьютера  –  это принтеры, сканеры, внешние (подключаемые извне ПК) приводы CD-/DVD-  дисков, камеры, манипулятор «мышь», клавиатура и т.п.

Каждое  внутреннее  устройство  имеет  контроллер  (от  английского  слова controller  – устройство управления).  Для внешних устройств эту функцию выполняет контроллер  порта,  к которому  это устройство подключено. Во  всем  остальном внутренние  и внешние периферийные  устройства  персонального компьютера работают по одним и тем же принципам.

Устройства  ввода графических данных

Для  ввода  графической  информации  используют  сканеры,  графические  планшеты  (дигитайзеры)  и цифровые фотокамеры. Интересно отметить, что  с помощью сканеров можно вводить  и знаковую информацию. В  этом  случае  исходный  материал  вводится  в  графическом  виде,  после  чего  обрабатывается  специальными программными средствами (программами распознавания образов).

Планшетные  сканеры.  Планшетные  сканеры предназначены для ввода  графической  информации  с

прозрачного или непрозрачного  листового материала. Принцип действия этих устройств состоит в том, что луч света,  отраженный  от  поверхности  материала  (или  прошедший  сквозь  прозрачный  материал),  фиксируется специальными  элементами,  называемыми  приборами  с  зарядовой  связью  (ПЗС).  Обычно  элементы  ПЗС конструктивно  оформляют  в  виде  линейки,  располагаемой  по  ширине  исходного  материала.  Перемещение линейки  относительно  листа  бумаги  выполняется  механическим  протягиванием  линейки  при  неподвижной установке листа или протягиванием листа при неподвижной установке линейки.

Основными потребительскими параметрами  планшетных сканеров являются:

• разрешающая способность;

•  производительность  (определяется  продолжительностью  сканирования  листа  бумаги  стандартного формата);

•  динамический  диапазон  (определяется  логарифмом  отношения яркости наиболее  светлых участков