Перспективы развития ПК

NOTEBOOK (компьютеры-блокноты) имеют размеры одного листа бумаги стандарта А4 (297х210), обладают неполной клавиатурой (около 80 клавиш). В них используются НЖМД (например, дисковод емкостью 120 Мбайт, диаметром 2,5 дюйма) и НГМД.

В комплекте  с NOTEBOOK можно применять модем или факс-модем, выполненные в виде отдельного настольного блока, присоединенного кабелем к компьютеру и телефонной сети. Однако существуют блоки модемов и факс-модемов, вставляемые в корпус NOTEBOOK и работающие, как правило, только на передачу сообщений.

Компьютеры NOTEBOOK могут использоваться в деловых  поездках, не требуют места на рабочем  столе, могут храниться в ящике  для бумаг, в портфеле. ПЭВМ HANDHELD - ПЭВМ, размер которой меньше одного листа бумаги стандарта А4 (например, модель Hewlett Packard 95LX имеет размеры 160х86х25 мм), поэтому они всегда под рукой (в кармане) в готовом к работе состоянии. Эти модели могут работать независимо от электросети. Программы при автономной работе вводятся с помощью твердой карточки (ROM CARD), на которых записаны программы емкостью 32, 64 или 128 Кбайт. Карточки можно перепрограммировать.

 

 

Рис. 1Компьютер  «Электроника МС 1504» в форм-факторе «Laptop»

 

В целом можно  сказать, что структура современного ПК, в основном повторяющая структуру универсальной ЭВМ, отличается от последней большим разнообразием конфигураций узлов и периферийного оборудования. Это разнообразие отражает реализацию принципа открытой архитектуры. Не только фирма, но и сам пользователь может составить любую необходимую для его целей конфигурацию ПК в пределах возможностей системной платы ПК

1.2. Архитектура  персонального компьютера.

Обычно ПЭВМ включает три основных устройства: системный блок, клавиатуру и дисплей (монитор).Однако для расширения функциональных возможностей ПЭВМ можно подключить различные дополнительные периферийные устройства, в частности: печатающие устройства (принтеры), накопители на магнитной ленте (стриммеры), различные манипуляторы (мышь, джойстик, трекбол, световое перо), устройства оптического считывания изображений (сканеры), графопостроители (плоттеры) и др.

Эти устройства подсоединяются к системному блоку  с помощью кабелей через специальные  гнезда (разъемы), которые размещаются  обычно на задней стенке системного блока.

В некоторых  моделях ПЭВМ при наличии свободных  гнезд дополнительные устройства вставляются  непосредственно в системный  блок, например, модем для обмена информацией с другими ПЭВМ через  телефонную связь или стриммер для  хранения больших массивов информации на МЛ.

ПЭВМ, как правило, имеет модульную структуру. Все  модули связаны с системной магистралью (шиной).

Системная магистраль. Она выполняется в виде совокупности шин, используемых для передачи данных, адресов и управляющих сигналов. Количество линий в адресно-информационной шине определяется разрядностью кодов адреса и данных, а количество линий в шине управления - числом управляющих сигналов, используемых в ПЭВМ.

Системный блок. Являясь главным в ПЭВМ, этот блок включает в свой состав: центральный микропроцессор, сопроцессор, модули оперативной и постоянной памяти, контроллеры, накопители на магнитных дисках и другие функциональные модули. Набор модулей определяется типом ПЭВМ. Пользователи по своему желанию могут изменять конфигурацию ПЭВМ, подключая дополнительные периферийные устройства.

В системный  блок может быть встроено звуковое устройство, с помощью которого пользователю удобно следить за работой машины, вовремя обращать внимание на возникшие  сбои в отдельных устройствах или на возникновение необычной ситуации при решении задачи на ПЭВМ.

Со звуковым устройством часто связан таймер, позволяющий вести отсчет времени  работы машины, фиксировать календарное  время, указывать на окончание заданного  промежутка времени при выполнении той или иной задачи.

Контроллеры (К). Эти устройства служат для управления внешними устройствами. Каждому ВУ соответствует - свой контроллер. Электронные  модули-контроллеры реализуются  на отдельных печатных платах, вставляемых  внутрь системного блока. Такие платы  часто называют адаптерами ВУ (от адаптировать - приспосабливать). После получения команды от микропроцессора контроллер функционирует автономно, освобождая микропроцессор от выполнения специфических функций, требуемых для того или другого конкретного ВУ.

Контроллер  содержит регистры двух типов - регистр состояния (управления) и регистр данных. Эти регистры часто называют портами ввода-вывода. За. каждым портом закреплен определенный номер - адрес порта. Через порты пользователь может управлять ВУ, используя команды ввода-вывода. Программа, выполняющая по обращению из основной выполняемой программы операции ввода-вывода для конкретного устройства или группы устройств ПЭВМ, входит в состав ядра операционной системы ПЭВМ.

Для ускорения  обмена информацией между микропроцессором и внешними устройствами в ПЭВМ используется прямой доступ к памяти (ПДП). Контроллер ПДП, получив сигнал запроса от внешнего устройства, принимает управление обменом на себя и обеспечивает обмен данными с ОП, минуя центральный микропроцессор. В это время микропроцессор продолжает без прерывания выполнять текущую программу. Прямой доступ к памяти, с одной стороны, освобождает микропроцессор от непосредственного обмена между памятью и внешними устройствами, а с другой стороны, позволяет значительно быстрее по сравнению с режимом прерываний удовлетворять запросы на обмен.

Основная компоновка частей компьютера и связь между  ними называется архитектурой. При  описании архитектуры компьютера определяется состав входящих в него компонент, принципы их взаимодействия, а также их функции и характеристики.

 

Рис. 2 Архитектура персонального  компьютера

 

Практически все универсальные ЭВМ отражают классическую неймановскую архитектуру, представленную на схеме. Эта схема во многом характерна как для микроЭВМ, так и для мини ЭВМ и ЭВМ общего назначения.

Рассмотрим  устройства подробнее.

Основная часть  системной платы — микропроцессор (МП) или CPU (Central Processing Unit), он управляет  работой всех узлов ПК и программой, описывающей алгоритм решаемой задачи. МП имеет сложную структуру в виде электронных логических схем. В качестве его компонент можно выделить:

A). АЛУ - арифметико-логическое  устройство, предназначенное для  выполнения арифметических и логических операций над данными и адресами памяти;

Б). Регистры или  микропроцессорная память — сверхоперативная память, работающая со скоростью процессора, АЛУ работает именно с ними;

B). УУ - устройство  управления - управление работой  всех узлов МП посредством выработки и передачи другим его компонентам управляющих импульсов, поступающих от кварцевого тактового генератора, который при включении ПК начинает вибрировать с постоянной частотой (100 МГц, 200-400 МГц). Эти колебания и задают темп работы всей системной платы;

Г). СПр - система  прерываний - специальный регистр, описывающий  состояние МП, позволяющий прерывать  работу МП в любой момент времени  для немедленной обработки некоторого поступившего запроса, или постановки его в очередь; после обработки запроса СПр обеспечивает восстановление прерванного процесса;

Д). Устройство управления общей шиной — интерфейсная система.

Для расширения возможностей ПК и повышения функциональных характеристик микропроцессора  дополнительно может поставляться математический сопроцессор, служащий для расширения набора команд МП. Например, математический сопроцессор IBM-совместимых ПК расширяет возможности МП для вычислений с плавающей точкой; сопроцессор в локальных сетях (LAN-процессор) расширяет функции МП в локальных сетях.

Характеристики  процессора:

Быстродействие (производительность, тактовая частота) — количество операций, выполняемых  в секунду.

Разрядность — максимальное количество разрядов двоичного числа, над которыми одновременно может выполняться машинная операция.

Конструктивно МП, как правило, выполнен на одном  кристалле (на одной СБИС). В состав МП входят:

• центральное устройство управления;

• арифметико-логическое устройство;

• внутренняя регистровая память;

• КЭШ-память;

• схема формирования действительных адресов операндов для обращения к оперативной памяти;

• схемы управления системной шиной и др. Рассмотрим структуру и функционирование микропроцессора на примере разработанной фирмой Intel модели 486.

АЛУ выполняет  логические операции, а также арифметические операции в двоичной системе счисления и в двоично-десятичном коде, причем арифметические операции над числами, представленными в форме с плавающей точкой, реализуются в специальном блоке. В некоторых конфигурациях с этой целью используется арифметический сопроцессор . Он имеет собственные регистры данных и управления, работает параллельно с центральным МП, обрабатывает данные с плавающей точкой.

Устройство  управления микропроцессорного типа обеспечивает конвейерную обработку данных с  помощью блока предварительной выборки (очереди команд).

Блок предварительной  выборки команд и данных осуществляет заполнение очереди команд длиной 32 байта, причем выборка байтов из памяти выполняется в промежутках между  магистральными циклами команд.

Производительность  микропроцессора значительно повышается за счет буферизации часто используемых команд и данных во внутренней КЭШ-памяти размером (в данном случае) 8 Кбайт. При этом сокращается число обращений к внешней памяти. Внутренняя КЭШ-память имеет несколько режимов работы, что обеспечивает гибкость отладки и выполнения рабочих программ.

Блоки формирования адресов операндов (диспетчер памяти) состоит из блока сегментации  и блока страничной адресации. Физический адрес ячейки памяти формируется  последовательно: сначала в пределах сегмента, а затем в пределах страницы.

В МП i486 реализуются  два режима работы - режим реальных адресов и многозадачный режим (защищенный режим).

В режиме реальных адресов выполняется расширенный  набор команд над 32-разрядными операндами. В этом режиме МП i486 работает совместимо с МП i086. При работе МП i486 в режиме реальных адресов применяется относительная адресация.

В многозадачном (защищенном) режиме работы МП i486 применяется  виртуальная адресация, соединяющая  сегментацию памяти и страничную адресацию.

Сегментация памяти является средством управления пространством логических адресов. Сегментированная память представляет собой набор блоков, характеризуемых  определенными атрибутами, такими, как расположение, размер, тип (стек, программа, данные), класс защиты памяти. В МП i486 каждой задаче доступно, до 16384 сегментов размером до 4 Гбайт каждый. Таким образом, каждая задача может использовать до 64 Тбайт виртуальной памяти.

Страничная  адресация действует на более  низком уровне. Каждый сегмент делится на страницы размером по 4 Кбайт, которые могут размещаться в любом месте памяти.

Сегментация полезна для организации в  памяти локальных модулей. Это инструмент прикладного программиста, в то время  как страничное распределение удобно системному программисту для эффективного использования физической памяти ПЭВМ.

В состав внутренней памяти МП входят доступные программисту функциональные регистры: регистры общего назначения, указатель команд, регистр  флагов и регистры сегментов.

Восемь 32-разрядных  регистров общего назначения используются для хранения данных и адресов. Они обеспечивают работу с данными разрядностью 1, 8, 16, 32 и 64 бита и адресами размером 16 и 32 бита. Каждый из таких регистров имеет свое имя, например ЕАХ или ESP. 32-разрядный указатель команд содержит смещение при определении адреса следующей команды. 32-разрядный регистр флагов указывает признаки результата выполнения команды. Регистры сегментов содержат значения селекторов сегментов, определяющих текущие адресуемые сегменты памяти.

Кроме вышеуказанных, регистровая память МП содержит регистры процессора обработки чисел с  плавающей точкой, системные и  некоторые другие регистры.

Устройство  управления микропроцессора обеспечивает многозадачность. Многозадачность - способ организации работы ПЭВМ, при котором в ее памяти одновременно содержатся программы и данные для выполнения нескольких задач. В составе МП i486 имеются аппаратно-программные средства, позволяющие эффективно организовать многозадачный режим, в том числе системы прерывания и защиты памяти.

Система прерываний обрабатывает запросы на прерывание как от внешних устройств, так  и от внутренних блоков МП. Поступление  запроса на прерывание от внутреннего  блока МП свидетельствует о возникновении  исключительной ситуации, например о  переполнении разрядной сетки. Внешнее прерывание может быть связано с обслуживанием запросов от периферийных устройств. Требуя своевременного обслуживания, внешнее устройство посылает запрос прерывания микропроцессору. Микропроцессор в ответ приостанавливает нормальное выполнение текущей программы и переходит на обработку этого запроса, чтобы в дальнейшем выполнить определенные действия по вводу-выводу данных. После совершения таких действий происходит возврат к прерванной программе. МП i486 способен обрабатывать до 256 различных типов прерываний, причем первые 32 типа отведены для внутрисистемных целей и недоступны пользователю.

Зашита памяти от несанкционированного доступа в  многозадачном режиме осуществляется с помощью системы привилегий, регулирующих доступ к тому или иному сегменту памяти в зависимости от уровня его защищенности и степени важности. 
Защищенность определяется уровнем привилегии, требуемым для доступа к соответствующему сегменту. Уровни привилегии задаются номерами от 0 до 3. Наиболее защищенная область памяти - отведенная под ядро операционной системы -имеет уровень 0. При обращении программы к сегментам программ или данных в защищенном режиме происходит проверка уровня привилегии, и в случае, если этот уровень недостаточен, происходит прерывание.