Файл: Устройство персонального компьютера (Понятие архитектуры).pdf

До 80-х годов IBM очень активно работала по крупным заказам. Несколько раз их делало правительство, несколько раз военные. Свои мэинфреймы она поставляла как правило образовательным и научным заведениям, а также большим корпорациям. Голубой гигант был выше нужд обычного потребителя, которому для полного счастья нужно куда меньше, чем NASA или очередному университету. Это дало шанс встать на ноги полуподвальной компании Apple. В 1979 году фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров.

Руководство фирмы рассматривало создание компьютера как мелкий эксперимент — что-то вроде одной из десятков, проводившихся в фирме работ по созданию нового оборудования. Было решено не тратить на этот эксперимент слишком много денег. В частности подразделению, ответственному за данный проект, было разрешено не конструировать персональный компьютер "с нуля", а использовать блоки, изготовленные другими фирмами.

Прежде всего, в качестве основного микропроцессора компьютера был выбран новейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intel-8088. Его использование позволило значительно увеличить потенциальные возможности компьютера, так как новый микропроцессор позволял работать с 1 Мб памяти, а все имевшиеся тогда компьютеры были ограничены 64 Кб. В компьютере были использованы и другие комплектующие различных фирм, а его программное обеспечение было поручено разработать небольшой фирме Microsoft.

В августе 1981 года новый компьютер под названием IBM PC был официально представлен публике и вскоре после этого он приобрел большую популярность у пользователей. Архитектура IBM PC была сделана открытой и общедоступной. Любой производитель мог делать периферию и ПО для компьютера IBM без покупки какой-либо лицензии. Заодно голубой гигант продавал IBM PC Technical Reference Manual, где был размещен полный исходный код BIOS.

Через один – два года компьютер IBM PC занял ведущее место на рынке, вытеснив модели 8-битовых компьютеров. Фактически IBM PC стал стандартом персонального компьютера. Сейчас такие компьютеры ("совместимые с IBM PC") составляют около 90 % всех производимых в мире персональных компьютеров.

1. Понятие архитектуры

Понятие архитектуры компьютера - это обобщение определенных свойств того или иного компьютера. Его архитектура - это тип компьютера в целом, который определяет его место в компьютерном мире. То есть существуют компьютеры, которые используются на фабриках, заводах, на электронных АТС, на серверах и в некоторых других сферах человеческой деятельности, но они оказываются совершенно неприспособленными для домашних нужд, для самого простого пользователя. Ведь их габариты и их набор программ не подходят для использования данного компьютера в домашней обстановке. А существуют известные всем персональные компьютеры. Эти компьютеры можно размещать дома, с легкостью перевозить с места на место и так далее. Эти компьютеры называют персональными, потому как им может владеть только один человек и на нем может работать только один человек. Хотя конечно то, что на нем может работать только один человек, уходит в прошлое. Современные возможности ПК позволяют, чтобы на нем одновременно работали два и больше пользователей.

В основу архитектуры IBM PC-компьютеров положен принцип шинной организации связей между процессором и остальными компонентами компьютера. Хотя с тех пор неоднократно менялись типы используемых шин и их устройство, но архитектура - основной принцип внутренней организации компьютера - осталась без изменений. Устройство компьютера изображено на Рис.1.

Контроллеры дисков

Дисководы

Видеокарта

Монитор

Клавиатура

шина

RAM

CMOS

BIOS

Контроллер клавиатуры

CPU

Контроллер ввода/вывода

Материнская плата

Принтер

Рис. 1.

2. Основные блоки IBM

При всем многообразии модификаций и вариантов персональных компьютеров в любой, даже самый экзотический комплект неизменно входят одни и те же виды устройств. Условно их можно разделить на внутренние детали (их еще называют «комплектующими») и внешние, периферийные.

Все комплектующие проживают внутри системного блока. В свою очередь, внешние устройства (периферия) подключаются к системному блоку через особые разъемы-порты. В первую очередь это главные устройства ввода-вывода информации – монитор, клавиатура и мышь.

Все это – обязательный набор, без которого сама работа с компьютером становится невозможной. Правда, первые компьютеры обходились без мыши и монитора: первые модели представляли собой лишь системный блок, снабженный клавиатурой. А роль монитора исполнял обычный телевизор.

Компьютеры выпускаются и в портативном варианте — в "наколенном" (лэптор) или "блокнотом" (ноутбук) исполнении. Здесь системный блок, монитор и клавиатура заключены в один корпус: системный блок спрятан под клавиатурой, а монитор сделан как крышка к клавиатуре.

Хотя из этих частей компьютера системный блок выглядит наименее эффектно, именно он является в компьютере "главным". В нем располагаются все основные узлы компьютера:

электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессор, оперативная память, контроллеры устройства и т. д.);
блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;
накопители (или дисководы) для гибких магнитных дисков, используемые для чтения и записи на гибкие магнитные диски (дискеты);
накопитель на жестом магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на несъемный жесткий магнитный диск (винчестер).

3. Дополнительные устройства

Помимо основных, существует еще масса дополнительных внешних и внутренних устройств. Их присутствие не является обязательным для компьютера, но они могут сделать вашу работу несколько более комфортной, подарить вашему ПК новые возможности.

Некоторые устройства подсоединяются через специальные гнезда (разъемы), находящиеся обычно на задней стенке системного блока компьютера - принтер, джойстик, планшеты, а также другие устройства.

Другие устройства могут вставляться внутрь системного блока компьютера, например: модем, факс-модем, стример.

Существуют устройства, которые используют смешанный способ подключения: в системный блок компьютера вставляется только электронная плата (контроллер), управляющая работой устройства, а само устройство подсоединяется к этой плате кабелем. Так работают многие разновидности сканеров (приборов для ввода рисунков и текстов в компьютер).

4. Логическое устройство компьютера

4.1. Составляющие

4.1.1. Микропроцессор

Современный процессор – это выращенный по специальной технологии кристалл кремния. Однако камешек этот содержит в себе множество отдельных элементов – транзисторов, которые в совокупности наделяют компьютер способностью думать.

В компьютерах типа IBM PC используются микропроцессоры фирмы Intel, а также совместимые с ними микропроцессоры других фирм (AMD, Cyrix, IBM и др.).

4.1.2. Сопроцессор

Специальный блок для операций с «плавающей точкой» (или запятой). Применяют для особо точных и сложных расчетов, а также для работы с рядом графических программ.

Новейшие микропроцессоры фирмы Intel (80486 и Pentium) сами умеют выполнять операции над вещественными числами, поэтому для них сопроцессоры не требуются.

4.1.3. Оперативная память

Отличие оперативной памяти от постоянно, дисковой, – в том, Что информации хранится в ней не постоянно, а временно. Выключил компьютер – все содержимое оперативной памяти исчезло без следа. Как и процессоры- чипы, оперативная память используется в самых различных устройствах ПК – от видеокарты до лазерного принтера. Микросхемы оперативной памяти в этом случае могут принадлежать к совершенно разным модификациям, однако все они относятся к типу динамической оперативной памяти.

Оперативная память выпускается в виде микросхем, собранных в специальные модули памяти.

4.1.4. Контроллеры и шина

Чтобы компьютер мог работать, необходимо, чтобы в его оперативной памяти находились программа и данные. А попадают они туда из различных устройств компьютера клавиатуры, дисководов для магнитных дисков и т. д. Обычно эти устройства называют внешними, хотя некоторые из них могут находиться не снаружи компьютера, а встраиваться внутрь системного блока, как это описывалось выше. Результаты выполнения программ выводятся на внешние устройства монитор, диски, принтер и т. д.

Таким образом, для работы компьютера необходим обмен информацией между оперативной памятью и внешними устройствами. Такой обмен называется вводом – выводом. Но этот обмен не происходит непосредственно: между любым внешним устройством и оперативной памятью в компьютере имеются целых два промежуточных звена:

Для каждого внешнего устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером, или адаптером. Некоторые контроллеры (например, контроллер дисков) могут управлять сразу несколькими устройствами.
Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, которую в просторечии обычно называют шиной.

Центральный процессор

Системная память

Кэш-память с контроллером

Контроллер системной шины

Системная шина

Локальная шина

Шина памяти

Рис. 2. Организация связей в случае трехшинной структуры

4.1.5. Электронные платы

Для упрощения подключения устройств электронные схемы IBM PC состоят из нескольких модулей электронных плат. Основная плата компьютера — системная, или материнская, плата. Вот лишь основные логические группы устройств, из которых состоит любая системная плата:

Набор разъемов и портов для подключения отдельных устройств
Шина – информационная магистраль, связывающая их воедино. Именно по шине передаются сигналы между всеми видами компьютерной «начинки» и именно через посредство шины доставляется информационный «корм».
Базовый набор микросхем, чипсет, с помощью которого материнская плата и осуществляет контроль над всем происходящим внутри системного блока.
Небольшая микросхема BIOS – координационный центр системной платы, управляющий всеми ее возможностями.
Встроенные (или интегрированные) дополнительные устройства.

Наличие свободных разъемов шины обеспечивает возможность добавления к компьютеру новых устройств. Чтобы заменить одно устройство другим (например, устаревший адаптер монитора на новый), надо просто вынуть соответствующую плату из разъема и вставить вместо нее другую. Несколько сложнее осуществляется замена самой материнской платы.

Интегрированные устройства:

Звуковая подсистема в большинстве случаев базируется на так называемом кодеке AC’97, который берет на себя лишь часть задач по обработке звука. Все остальное реализуется уже не на аппаратном, а на программном уровне – часть задач перекладывается на центральный процессор. На большинстве современных плат имеется, как минимум, четырехканальный вывод звука, хотя в последних разработках не редкость и стандартный шестиканальный звук.

Сетевая плата – особое внимание следует обратить на последние модели материнских плат, снабженных контроллером Gigabyte Ethernet, способным передавать данные со скоростью до 1 Гбит/с.

Видеосистема – в некоторых чипсетах имеется встроенная видеосистема, мощности которой вполне достаточно для обычной, двухмерной графики.

4.1.6. Блок-схема

На блок-схеме контроллер клавиатуры обычно находится на системной плате, поскольку это упрощает изготовление компьютера. Иногда на системной плате размещаются и контроллеры других устройств.

4.1.7. Контроллеры ввода-вывода

Контроллерами называются специальные устройства, управляющие подключенными к компьютеру дополнительными (внешним или внутренними) устройствами.

Одним из контроллеров, которые присутствуют почти в каждом компьютере, является контроллер портов ввода-вывода. Эти порты бывают следующих типов:

параллельные (обозначаемые LPT1-LPT4), к ним обыкновенно подключаются принтеры;
асинхронные последовательные (обозначаемые СОМ1-СОМ3). Через них обычно подсоединяются мышь, модем и т. д.
игровой порт — для подключения джойстика.

Некоторые устройства могут подключаться и к параллельным, и к последовательным портам. Параллельные порты выполняют ввод и вывод с большей скоростью, чем последовательные (за счет использования большего числа проводов в кабеле).

Контроллеры: