Устройство персонального компьютера

Процессор. Является основным компонентом любого ПК.Осуществляет выполнение программ, работающих на компьютере, и управляет работой остальных устройств компьютера. Скорость его работы во многом определяет быстродействие компьютера. В 1ВМ РС используются микропроцессоры, разработанные фирмой Intel, а иногда — совместимые с ними микропроцессоры других фирм.

Характеристики микропроцессоров. Микропроцессор характеризуется:  
1) тактовой частотой, определяющей максимальное время выполнения переключения элементов в ЭВМ;  
2) разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов.

Разрядностть МП обозначается m/n/k/ и включает:  
m - разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;  
n - разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;  
k - разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. Например, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20;  
3) архитектурой. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.

Микроархитектура микропроцессора - это аппаратная организация и  логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.

Макроархитектура - это система  команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.

В общем случае под архитектурой ЭВМ понимается абстрактное представление  машины в терминах основных функциональных модулей, языка ЭВМ, структуры данных. 

 

  в) Контролеры

 

Все устройства на системной шине микропроцессор рассматривает либо как адресуемую память, либо как  порты ввода-вывода. Вообще говоря, под портом понимают некую схему  сопряжения, которая обычно включает в себя один или несколько регистров  ввода-вывода (особых ячеек памяти).

 О совершении некоего события  микропроцессор может узнать  по сигналу, называемому прерыванием.  При этом исполнение текущей  последовательности команд приостанавливается (прерывается), а вместо нее начинает  выполняться другая последовательность, соответствующая данному прерыванию. Обычно прерывания подразделяются  на аппаратные, логические и программные.

 Аппаратные прерывания (IRQ) передаются по специальным линиям системной шины и связаны с запросами от внешних устройств (например, нажатие клавиши на клавиатуре). Логические прерывания возникают при работе самого микропроцессора (например, деление на ноль), а программные инициируются выполняемой программой и обычно используются для вызова специальных подпрограмм.

 В первых компьютерах IBM PC использовалась микросхема контролера прерываний i8259 (Interrupt Controller), которая имеет восемь входов для сигналов прерываний (IRQ0-IRQ7). Как известно, в одно и то же время микропроцессор может обслуживать только одно событие и в выборе данного события ему помогает контролер прерываний, который устанавливает для каждого из своих входов определенный уровень важности - приоритет. Наивысший приоритет имеет линия запроса прерывания IRQ0, а наименьший - IRQ7, то есть приоритет убывает в порядке возрастания номера линии. В IBM PC/AT восьми линий прерывания стало уже недостаточно и их количество было увеличено до 15. В первых моделях для этого использовалось каскадное включение двух микросхем i8259. Оно осуществлялось путем подсоединения выхода второго контролера ко входу IRQ2 первого.

 Важно для понимания здесь  следующее. Линии прерывания IRQ8 - IRQ15 (то есть входы второго контролера) имеют приоритет ниже чем IRQ1, но выше IRQ3.

В режиме прямого доступа (DMA, Direct Memory Access) периферийное устройство связано с оперативной памятью непосредственно, а не через внутренние регистры микропроцессора. Наиболее эффективной такая передача данных бывает в ситуациях, когда требуется высокая скорость обмена для

большого количества информации. Для  инициализации процесса прямого  доступа на системной шине используются соответствующие сигналы.

 В компьютерах, совместимых  с IBM РС и PC/XT, для организации прямого доступа в память используется одна 4-канальная микросхема DMA i8237, канал 0 которой предназначен для регенерации динамической памяти. Каналы 2 и 3 служат для управления высокоскоростной передачей данных между дисководами гибких дисков, винчестером и оперативной памятью соответственно.

IBM PC/AT-совместимые компьютеры имеют 7 каналов прямого доступа к памяти. В первых компьютерах это достигалось каскадным включением двух микросхем i8237, как и в случае контролеров прерываний.

 

 

г) Память Rom, Ram

 

Все персональные компьютеры используют три вида памяти: оперативную, постоянную и внешнюю (различные накопители). Оперативная память предназначена  для хранения переменной информации, так как она допускает изменение  своего содержимого в ходе выполнения микропроцессором

соответствующих операций. Поскольку в любой момент времени доступ может осуществляться к произвольно выбранной ячейке, то этот вид памяти называют также  памятью с произвольной выборкой - RAM (Random Access Memory).

 Все программы, в том числе  и игровые, выполняются именно  в оперативной памяти. Постоянная  память обычно содержит такую  информацию, которая не должна  меняться в течение длительного  времени. Постоянная память имеет  собственное название - ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, что ею обеспечиваются только режимы считывания и хранения.

 

Логическая организация  памяти. Как известно, используемый в IBM РС, PC/XT микропроцессор i8088 через свои 20 адресных шин предоставляет доступ всего к 1-Мбайтному пространству памяти. Первые 640 Кбайт адресуемого пространства в IBM РС-совместимых компьютерах называют обычно стандартной памятью (conventional memory). Оставшиеся 384 Кбайта зарезервированы для системного использования и носят название памяти в верхних адресах (UMB, Upper Memory Blocks, High DOS Memory или UM Area - UMA).Эта область памяти резервируется под размещение системной ROM BIOS (Read Only Memory Basic Input Output System), под видеопамять и ROM-память дополнительных адаптеров.

 

Дополнительная (expanded) память. Почти на всех персональных компьютерах область памяти UMB редко оказывается заполненной полностью. Пустует, как правило, область расширения системного ROM BIOS или часть видеопамяти и области под дополнительные

модули ROM. На этом и базируется спецификация дополнительной памяти EMS (Ехpanded Memory Specification), впервые разработанная фирмами Lotus Development, Intel и Microsoft (поэтому называемая иногда LIM-cпeцификацией). Эта спецификация позволяет использовать оперативную память свыше стандартных 640 Кбайт для прикладных программ. Принцип использования дополнительной памяти основан на переключении блоков (страниц) памяти. В области UMB, между видеобуфером и системным RGM BIOS, выделяется незанятое 64-Кбайтное "окно", которое разбито на страницы. Программные и аппаратные средства позволяют отображать любой сегмент дополнительной памяти в любую из выделенных страниц "окна(TM). Хотя микропроцессор всегда обращается к данным, хранимым в "окне" (адрес ниже 1 Мбайта), адреса этих данных могут быть смещены в дополнительной памяти относительно "окна" на несколько мегабайт  В компьютерах на процессоре i8088 для реализации                                        дополнительной памяти должны применяться специальные платы с аппаратной поддержкой "подкачки" блоков (страниц) памяти и соответствующий программный драйвер. Разумеется, платы дополнительной памяти могут устанавливаться и в компьютер на базе процессоров i80286 и выше модули ROM. На этом и базируется спецификация дополнительной памяти EMS (Ехpanded Memory Specification), впервые разработанная фирмами Lotus Development, Intel и Microsoft (поэтому называемая иногда LIM-cпeцификацией). Эта спецификация позволяет использовать оперативную память свыше стандартных 640 Кбайт для прикладных программ. Принцип использования дополнительной памяти основан на переключении блоков (страниц) памяти. В области UMB, между видеобуфером и системным RGM BIOS, выделяется незанятое 64-Кбайтное "окно", которое разбито на страницы. Программные и аппаратные средства позволяют отображать любой сегмент дополнительной памяти в любую из выделенных страниц "окна”. Хотя микропроцессор всегда обращается к данным, хранимым в "окне" (адрес ниже 1 Мбайта), адреса этих данных могут быть смещены в дополнительной памяти относительно "окна" на несколько

В компьютерах на процессоре i8088 для реализации дополнительной памяти должны применяться специальные платы с аппаратной поддержкой "подкачки" блоков (страниц) памяти и соответствующий программный драйвер. Разумеется, платы дополнительной памяти могут устанавливаться и в компьютер на базе процессоров i80286 и выше.

 

Расширенная (extended) память. Компьютеры, использующие процессор l80286 с 24-разрядными адресными шинами, физически могут адресовать 16 Мбайт, а в случае процессоров i80386/486 - 4 Гбайта памяти. Такая возможность имеется только для защищенного режима работы процессора, который операционная система MS-DOS не поддерживает. Расширенная память (extended) располагается выше области адресов 1 Мбайт (не надо путать 1 Мбайт ОЗУ и 1 Мбайт адресного пространства). Для работы с расширенной памятью микропроцессор должен переходить из реального в защищенный режим и обратно. В отличие от l80286 микропроцессоры i80386/486 выполняют эту операцию достаточно просто, именно поэтому для них в составе MS-DOS имеется специальный драйвер - менеджер памяти ЕММ386.

 Кстати, при наличии соответствующего  драйвера расширенную память  можно эмулировать как дополнительную. Аппаратную поддержку в этом  случае должен обеспечивать микропроцессор  не ниже i80386 или вспомогательный набор специальных микросхем (например, наборы NEAT фирмы Chips and Technologies). Следует заметить, что многие платы памяти, поддерживающие стандарт LIM/EMS, могут использоваться также и в качестве расширенной памяти.

Кэш-память.  Кэш-память предназначена для согласования скорости работы сравнительно медленных устройств, таких, например как динамическая память с быстрым микропроцессором. Использование кэш-памяти позволяет избежать циклов ожидания в его работе, которые снижают производительность всей системы.

С помощью кэш-памяти обычно делается попытка согласовать также работу внешних устройств, например, различных  накопителей, и микропроцессора. Соответствующий  контролер кэш-памяти должен заботиться о том, чтобы команды и данные, которые будут необходимы микропроцессору  в определенный момент времени, именно к этому моменту оказывались  в кэш-памяти.

 

д) Жесткий диск

 

Накопители  на жёстком диске (винчестеры) предназначены  для постоянного хранения информации, используемой при работе с компьютером: программ операционной системы, часто  используемых пакетов программ, редакторов документов, трансляторов с языков программирования и т.д.

Ёмкость диска. Для пользователя накопители не жёстком диске отличаются друг от друга прежде всего своей ёмкостью, т.е. тем, сколько информации помещается на диске. Сейчас компьютеры в основном оснащаются винчестерами от 520 Мбайт и более. Компьютеры работающие как файл серверы могут оснащаться винчестером 4 - 8 Мбайт и не одним.

Скорость работы диска. Скорость работы диска характеризуется двумя показателями:

1. Временем доступа к данным на диске.
2. Скоростью чтения и записи данных на диск.

    Эти характеристики соотносятся  друг с другом приблизительно  так же, как время разгона и  максимальная скорость автомобиля. При чтении или записи коротких  блоков данных, расположенных в  разных участках диска,

скорость  работы определяется временем доступа  к данным - подобно тому, как при  движении автомобиля по городу в час  пик с постоянными разгонами  и торможениями не так уж важна  максимальная скорость, развиваемая  автомобилем. Зато при чтении или  записи данных  (в десятки и  сотни килобайт) файлов гораздо важнее пропускная способность тракта обмена с диском - точно также, как при  движении автомобиля по скоростному  шоссе важнее скорость автомобиля, чем время разгона.  

Следует заметить, что время  доступа и скорость чтения - записи зависят не только от самого дисковода, но от параметров всего тракта обмена с диском: от быстродействия контроллера  диска, системной шины и основного  микропроцессора компьютера.

 

III   Периферийные устройства ПК

 

а) Мониторы

 

Монитор ( дисплей ) компьютера IBM PC предназначен для вывода на экран текстовой и графической информации. Мониторы бывают цветными и монохромными. Они могут работать в одном из двух режимов: текстовом или графическом.

    Текстовый  режим. В текстовом режиме экран монитора условно разбивается на отдельные участки - знакоместа, чаще всего на 25 строк по 80 символов             ( знакомест ). В каждое знакоместо может быть введён один из 256 заранее символов. В число этих символов входят большие и малые латинские буквы, цифры, определённые символы, а также псевдографические символы, используемые для вывода на экран таблиц и диаграмм, построения рамок вокруг участков экрана и так далее.

    В число символов, изображаемых на экране в текстовом  режиме,

могут входить и символы  кириллицы. На цветных мониторах  каждому знакоместу может соответствовать  свой цвет символа и фона, что  позволяет выводить красивые цветные  надписи на экран.

На монохромных мониторах для  выделения отдельных частей текста и участков экрана используется повышенная яркость символов, подчёркивание  и т. д.

Графический режим. Графический режим предназначен для вывода на экран графиков, рисунков и так далее. Разумеется в этом режиме можно выводить и текстовую информацию в виде различных надписей, причём эти надписи могут иметь произвольный шрифт, размер и др.