Системные блоки – корпуса персональных компьютеров

Принципиальная внутренняя архитектура процессоров персональных компьютеров IBM серии 80х86 достаточно сходна. Все современные 16-ти и 32-х разрядные процессоры поддерживают три режима работы и адресации:

1. реальный режим с  сегментной адресацией по типу  сегмент + смещение, где и сегмент  и смещение адресуются 16-ти разрядными  регистрами, а максимальный размер  сегмента – 64К;

2. виртуальный режим процессора 8086 или режим виртуальной машины, с адресацией реального режима  и возможностью страничного преобразования  адреса, управлением виртуальной  машиной как задачей реального  режима в мультизадачной среде;

3. защищенный режим с  32-х разрядной адресацией при  помощи метода дескрипторов сегментов  памяти, дескрипторных таблиц и  селекторов с максимальным теоретическим  размером сегмента 4Г, многозадачностью  и четырьмя уровнями защиты  и привилегий задач.

Процессоры данной серии  являются устройствами с конвейерной  обработкой инструкций и буфером  предвыборки, что при правильной организации объектного кода дает значительное ускорение работы программ. Они могут  иметь внешний (все устройства до 80386 включительно) или встроенный математический сопроцессор, а процессоры новых поколений (80586, 80686, Pentium и Pentium pro) могут включать специальные наборы команд обработки мультимедиа информации и расширенные команды передачи цифровых данных, используемые при обработке изображений, звука, видео и активной сетевой нагрузке.

Все процессоры этой серии  совместимы по системе команд и ассемблеру сверху вниз, что позволяет использовать программное обеспечение разработанное  для более ранних моделей на современных  компьютерных системах.

Универсальность и открытость архитектуры обеспечивают возможность  построения на базе процессоров Pentium мощных персональных систем укомплектованных периферийным оборудованием (адаптерами видео, аудио, сетевыми и др.) основанном на процессорах той же серии, которые используется в качестве центральных процессоров их материнских плат.

Материнские платы могут  содержать один, два, четыре и более  центральных процессоров, что определяет их производительность и область  использования. В настоящее время, наиболее распространены процессоры серии Intel 80х86 с тактовыми частотами от 100 до 230 МГц большинство из которых поддерживают специальные системы команд обработки графической и видео информации (например MMX) и другие расширенные инструкции защищенного режима.

Большое значение в общей  технологии производства компьютерных систем имеет вопрос согласования возможностей и внутренних интерфейсов центрального процессора и набора интегральных микросхем  – чипа на базе которого построена  материнская плата. Правильное их сочетание  может резко повысить общую производительность, и наоборот. Поэтому, рекомендуется  устанавливать на материнские платы  процессоры, указанные в руководстве  фирмы производителя платы.

Технологии производства центральных процессоров постоянно  совершенствуются. 

 

Системная шина

Системная шина персональных компьютеров IBM представляет собой набор проводников электрических сигналов и систему протоколов соединения устройств при помощи этих проводников. Тип и характеристики протоколов передачи информации по системной шине определяют скорость передачи информации между отдельными устройствами материнской платы. Системные шины персональных компьютеров стандартизируются как по числу контактов и разрядности (числу проводников, используемых для одновременной передачи данных), так и по протоколам общения устройств через проводники. Системная шина соединяет все устройства компьютера в единое целое и обеспечивает их взаимодействие, взаимоуправление и работу с центральным процессором.

В настоящее время, чаще всего, в персональных компьютерах используются системные шины стандартов ISA, EISA, VESA, VLB и PSI. На рисунке изображены четыре разъема шины PSI и три – ISA, расположенные на универсальной материнской плате. Все стандарты различаются как по числу и использованию сигналов, так и по протоколам их обслуживания. Взаимодействие устройств при помощи системной шины контролируется аппаратурой обслуживания шин и их контроллерами. Основа конструктивного исполнения шины входит в архитектуру материнской платы, на которой располагаются ее проводники и разъемы для подключения плат адаптеров устройств (видео !VideoCards>about, аудио !SoundCards>about, интерфейсов накопителей информации, интерфейсных портов ввода/вывода, внутренних модемов и т.п.) и расширений базовой конфигурации. Различают 16-ти и 32-х разрядные, высокопроизводительные (VESA, VLB и PSI с тактовой частотой более 16 МГц) и низкопроизводительные (ISA и EISA с тактовой частотой 8 и 16 МГц) системные шины. Также, шины, разработанные по современным стандартам (VESA, VLB и PSI) допускают подключение нескольких одинаковых устройств, а шина PSI обеспечивает самоконфигурируемость периферийного оборудования – поддержку стандарта Plug and Play исключающего ручную конфигурацию аппаратных параметров периферийного оборудования при его изменении или наращивании.

Общий принцип функционирования современных шин различных стандартов состоит в организации устройствами циклов шины во время которых устройства принимают и передают информацию. Цикл шины инициируется устройством  – инициатором (master drive), которое определяет статус шины и если она не занята другими устройствами, устройство занимает ее и инициализирует интерфейсный контакт с другим устройством (slave drive) или устройствами – образует циклы шины. Таким образом, исключается ситуация конфликта шины или коллизии. В настоящее время, наиболее распространены протоколы, в которых взаимодействующие устройства равны в своих привилегиях использования шины, однако, продолжают существовать протоколы, предусматривающие одно устройство – инициализатор цикла шины – ведущее, и несколько ведомых устройств. При такой организации протоколов взаимодействия, чаще всего, устройством инициализатором является центральный процессор, а ведомыми – другие системные и периферийные устройства.

Особенности архитектуры  персональных компьютеров IBM диктуют достаточно противоречивые принципы стратегии развития и разработки протоколов работы с устройствами. Принципы совместимости становятся противоположными принципам наивысшей производительности. Однако, универсальные стандарты системных шин персональных компьютеров IBM позволяют обслуживать 8-ми, 16-ти и 32-х разрядные устройства, производить выполнение циклов регенерации, циклов прямого доступа к памяти, осуществлять работу с 16-ти разрядным устройством как с 8-ми разрядным с использованием систем конвертирования, подключать различные периферийные устройства и др.. Все системные шины персональных компьютеров IBM реализованы по принципам открытой архитектуры, а технологии производства интегрированных контроллеров и их аппаратных и программных протоколов постоянно совершенствуются.  

 

Коммуникационные  порты

Коммуникационные порты  персональных компьютеров представлены низкоскоростными интерфейсами. К ним  относят параллельный синхронный – Centronics и последовательный асинхронный – RS-232С. Данная аппаратура используется для связи с различными периферийными устройствами. Как правило, персональные компьютеры IBM комплектуются одним, двумя или тремя параллельными портами, носящими в системе названия – LPT1, LPT2 и LPT3 и двумя или четырьмя последовательными портами – носящими названия COM1, COM2, COM3, и COM4. Последовательные и параллельные интерфейсы (порты) могут располагаться как на материнских платах компьютеров, так и на платах расширений (интерфейсных адаптерах дисковой системы, видеокартах, мультикартах ввода/вывода) или на собственных специализированных интерфейсных платах.

Параллельные  интерфейсы – LPT порты

Параллельные интерфейсы получили свое название благодаря методу передачи данных, т.к. они имеют восемь разрядов шины данных и способны передавать информацию байтами синхронно по восьми проводникам. Чаще всего, в параллельных интерфейсах используются следующие  сигналы:

Автоподача (AUTOFEED)		Строб передачи данных (STROBE)
Инициализация устройства (INITIALIZE)		Данные 1 – данные 8 (DATA1–DATA8)
Устройство занято (BUSY)		Готовность приема данных устройством (ACKNLG)
Ошибка на устройстве (ERROR)		Конец бумаги (PAPER END)
Устройство выбрано (SELECT INPUT)		Устройство готово (SELECT)
Земля (GND)

Сигналы данных могут дополнительно  обеспечиваться собственными сигнальными  линиями заземления – по одному на каждый канал данных. В таком  случае, число сигналов возрастает до 25. Для соединения компьютера с  устройством при помощи параллельного  интерфейса используется 25-ти контактный разъем Centronics. Параллельные интерфейсы имеют высокую скорость передачи данных (до 150 К/сек) и низкую помехоустойчивость, что позволяет использовать кабель длинною не более трех метров. Чаще всего они используются для соединения компьютера с печатающими устройствами или двух компьютеров с целью интенсивного обмена данными.

Последовательные  интерфейсы – COM порты

Последовательные интерфейсы передают данные последовательно по одному биту, с синхронизацией, основанной на паритете, четности и стоповых битах. Для передачи и приема в них  используется два канала – один для передачи и один – для приема, и несколько дополнительных сигнальных линий. Стандартный набор сигналов последовательного интерфейса RS-232С:

Определение несущей	(DATA CARRIER DETECT – DCC, CF)		Запрос на передачу данных	(REQUEST TO SEND – RTS, CA)
Прием данных	(RESEIVE DATA – RX, BB)		Очистка для передачи данных	(CLEAR TO SEND – CTS, CB)
Передача данных	(TRANSMITT DATA – TX, BA)		Индикатор запроса	(RING INDICATOR – RI, CE)
Терминал готов	(DATA TERMINAL READY – DTR, CD)		Схемная земля	(GROUND – GND)
Данные готовы	(DATA SET READY – DSR, CC)

Для соединения при помощи последовательных портов используются 9-ти и 25-ти контактные соединительные разъемы COM портов. Последовательные коммуникационные порты имеют достаточно низкие скорости работы (50, 75, 100, 110, 200, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57000 и 115000 бит/сек) и высокую помехоустойчивость, что позволяет использовать соединительный кабель до 75 метров и более. Последовательные порты являются устройствами общего назначения и имеют разнообразное использование. Они применяются как для соединения компьютера с печатающими устройствами, терминалами, коммуникационными устройствами (факс-модем, модем), манипуляторами, ручными сканерами и т.п., так и для соединения двух компьютеров.

Как последовательные, так  и параллельные интерфейсы имеют  различное число расширенных  дополнительных сигнальных линий, применяемых  для диагностики состояний обслуживаемых  устройств и передачи сигналов специального назначения. Поэтому общее число  используемых каналов для передачи сигналов последовательных и параллельных интерфейсов различно. Программирование коммуникационных портов осуществляется при помощи стандартного интерфейса их контроллеров. Каждый контроллер имеет  группу адресов портов ввода/вывода, отображенных на память, что позволяет, при помощи записи или чтения значений по этим адресам принимать и передавать данные и управлять этими процессами. Адреса регистров портов и аппаратные прерывания, используемые ими представлены ниже:

Порт	Адрес	Прерывание
COM1	3F8	IRQ4
COM2	2F8	IRQ3
COM3	3E8	IRQ4
COM4	2E8	IRQ3
LPT1	3BC	IRQ7
LPT2	378	IRQ5
LPT3	278	IRQ11

Операционные системы, обычно, контролируют низкоуровневое управление портами, предоставляя программам документированный  высокоуровневый интерфейс с  ними как с символьными устройствами, файлами или каналами, допускающими чтение, запись и оценку состояния. Также, используется протоколы интерфейсов  с типовыми устройствами – например с принтерами. Как в параллельных, так и последовательных интерфейсах  используется внутренняя (на уровне базовой системы ввода/вывода и аппаратуры) и внешняя (на уровне операционной системы) буферизация данных, что существенно повышает их быстродействие. Область применения параллельных и последовательных портов не меняется на протяжении всего периода развития персональных компьютеров IBM-PC. Они по прежнему представляют собой универсальные интерфейсы и служат самым разнообразным целям. 

 

Видеокарты 
(видеоконтроллеры, видеоадаптеры, адаптеры дисплея)

Видеокарта, видеоадаптер, видеоконтроллер  или адаптер дисплея является устройством непосредственно формирующим  изображение на устройстве отображения  информации – мониторе. Как и любой другой контроллер устройства, видеокарта может быть выполнена как внешнее или внутреннее – интегрированное на материнскую плату оборудование. Тип видеоконтроллера и его возможности определяют, в конечном виде, аппаратно достижимые и поддерживаемые режимы работы всей графической системы, скорость и качество формируемого на экране мониторов изображения. Видеоадаптер, выполненный как внутреннее неинтегрированное устройство, состоит из монтажной печатной платы – (1), вставляемой в разъем (слот) системной шины (стандарта – ISA, VESA, PCI или EISA) на материнской плате; выполненный как внешнее устройство – требует подключения с использованием специального интерфейса, а интегрированный на материнскую плату – не требует подключения вообще, но может быть отключен в случае необходимости подключения внешнего. На плате адаптера размещаются различные узлы устройства (чипы контроллеров (6), процессоров (6), видеопамяти (7), системы ввода/вывода устройства – BIOS (5); разъемы для подключения адаптера к системной шине (4), разъемы подключения монитора (2), разъемы подключения дополнительной видеопамяти (3), разъемы интерфейсов периферийных устройств и др.).

Схемы адаптера управляют  сигналами, формирующими поток информации представляющий изображение, выводимое  на экран монитора. Все видеосистемы содержат электронные компоненты, формирующие  сигналы синхронизации и цветности изображения, и управляющие генерированием текстовых символов и элементов графического экрана – пикселей. Кроме того, все видеосистемы содержат видеобуфер, представляющий область оперативной памяти, физические адреса которой находятся на плате адаптера, но входят в общее адресное пространство оперативной памяти компьютера. В нем хранится текстовая или графическая информация выводимая на экран. Тип микросхем видеопамяти значительно влияет на производительность всей видеосистемы в целом. Так, обычные чипы динамической памяти DRAM не позволяют делать одновременно операции чтения и записи в область видеопамяти, а микросхемы VRAM (Video Random Access Memory) – позволяют, что значительно ускоряет работу устройства. Основная функция видеосистемы заключается в преобразовании цифровых данных видеобуфера в те сигналы, которые управляют монитором и формируют, видимое пользователем, изображение на экране устройства отображения. Причем, в зависимости от вида видеорежима – текстовый или графический, информация в видеобуфере представляет собой: