Файл: Устройство персонального компьютера (Структурная схема ЭВМ).pdf

доступность программного и аппаратного обеспечения для развития и перестройки структуры.

Сейчас на рынке аппаратных средств и программного обеспечения персональных компьютеров совместимой архитектуры работает много компаний, в том числе такие крупные, как Intel, Compaq, Dell, Packard Bell, Microsoft, IBM, а также мелкие разработчики. Компьютеры Macintosh несовместимы со сторонними устройствами. Все узлы выпускает одна фирма Apple. Эти компьютеры заняли место в специфических нишах – образовании, полиграфии, компьютерной графике, мультимедиа и сфере развлечений.

В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Этот принцип предусматривает построение компьютера из функциональных блоков, взаимодействующих посредством общего канала (каналов) – щины. В сочетании с открытой архитектурой это позволяет потребителю собирать машину нужной конфигурации. Магистраль включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления, которые представляют собой многопроводные линии (рисунок 2.2.1). К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации.

Рисунок 2.2.1 – Магистрально-модульное устройство компьютера

2.2 Базовая аппаратная конфигурация ПК

Персональный компьютер – универсальная техническая система. Его конфигурацию (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости. В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают четыре устройства:

• системный блок;
• монитор;
• клавиатура;
• манипулятор «мышь».

Системный блок. Системный блок представляет собой основную часть ПК, внутри которого устанавливаются наиболее важные компоненты:

• материнская (системная) плата,
• блок питания,
• платы расширения,
• накопители на магнитных и оптических дисках.

Рисунок 2.2.2 – Упрощенная блок-схема

Устройства, расположенные внутри системного блока, называются внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, – внешними. Внутренние и внешние устройства, расположенные за пределами материнской платы, называют периферийными. К внутренним периферийным устройствам относятся накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД), накопитель на оптическом диске (CD-ROM), адаптеры или контроллеры, модем (бывает и внешним) и т.д. К внешним периферийным устройствам относятся принтер, сканер, плоттер, трекбол, цифровая видеокамера, цифровой фотоаппарат и т.д.

Материнская (системная) плата. Материнская плата – основная плата персонального компьютера. На ней размещаются:

процессор (микропроцессор (МП) или центральный процессор) – основная микросхема (или несколько микросхем, объединенных внутри одного корпуса), выполняющая большинство математических и логических операций (в соответствии с представленной ему программой) и общее управление всеми компонентами компьютера;

микропроцессорный комплект (чипсет) – набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы;

шины – наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;

оперативная или основная память (оперативное запоминающее устройств, ОЗУ) – набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен;

постоянная память (постоянное запоминающее устройство, ПЗУ) – микросхема, предназначенная для длительного хранения данных, когда компьютер выключен (в последнее время вместо ПЗУ употребляется термин флэш-ПЗУ (Flash ROM);

разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты).

Логическая схема системной платы показана на рисунке 2.2.3.

Рисунок 2.2.3 – Логическая схема системной платы

Процессор. В каждом компьютере есть центральный процессор – устройство, координирующее работу остальных частей компьютерной системы и осуществляющее обработку данных. В дальнейшем под термином «процессор» следует понимать именно центральный процессор. Кроме центрального процессора, в компьютере могут быть и другие процессоры, обеспечивающие, например, ввод-вывод; сопроцессоры, предназначенные для расширения функциональных возможностей основного процессора и т.п.

Основной характеристикой процессора является тактовая частота, на которой работают его внутренние элементы. Тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет). Чем выше частота процессора, тем большее количество типовых операций в единицу времени способен выполнить компьютер, соответственно, тем выше его быстродействие.

Производительность процессора определяется не только его тактовой частотой, но и архитектурой. Процессор взаимодействует с набором микросхем материнской платы (чипсета, ОЗУ, флэш-ПЗУ) посредством системной шины. Частота работы системной шины отличается от частоты работы процессора (по физическим причинам намного меньше), но важно, чтобы эти частоты были между собой согласованы.

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью. Для повышения эффективности работы компьютера в процессоры встраивают так называемую кэш-память (от англ. сache – тайный склад). Это дорогая быстродействующая память небольшого объема. Процессор помещает данные в кэш-память и занимается вычислениями, а специальное устройство, называемое кэш-конроллером, в это время переписывает данные из кэш-памяти в основную. При последующем обращении к памяти процессору может понадобиться прочитать те данные, которые он только что записал. В этом случае данные передаются из быстродействующей кэш-памяти, в которой они сохранились, без обращения к основной, более медленной памяти. Использование кэш-памяти позволяет более чем в два раза увеличить скорость обмена процессора с оперативной памятью.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – энергонезависимая память для хранения набора неизменяемых данных и подпрограмм, например, подпрограмм начальной загрузки компьютера, данных об устройствах, входящих в состав компьютера, и их параметрах. Такие запоминающие устройства работают только в режиме многократного считывания.

Флеш-память (англ. Flash-Memory) – разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти. Она может быть прочитана сколько угодно раз, но писать в такую память можно лишь ограниченное число раз (максимально — около миллиона циклов). Распространена флеш-память, выдерживающая около 100 тысяч циклов перезаписи — намного больше, чем способна выдержать дискета или CD-RW. Не содержит подвижных частей, так что, в отличие от жёстких дисков, более надёжна и компактна.

Благодаря своей компактности, дешевизне и низкому энергопотреблению флеш-память широко используется в цифровых портативных устройствах — фото- и видеокамерах, диктофонах, MP3-плеерах, КПК, мобильных телефонах, а также смартфонах и коммуникаторах. Кроме того, она используется для хранения встроенного программного обеспечения в различных устройствах (маршрутизаторах, мини-АТС, принтерах, сканерах, модемax), различных контроллерах.

Также в последнее время широкое распространение получили USB флеш-накопители («флешка», USB-драйв, USB-диск), практически вытеснившие дискеты и CD. Одним из первых флешки JetFlash в 2002 году начал выпускать тайваньский концерн Transcend.

Шины. Шины обеспечивают обмен данными между всеми компонентами материнской платы и внутренними периферийными устройствами. Каждому типу шин соответствует описание сигналов и правил их передачи по шине, называемых интерфейсом шины. Если шина предназначена для подключения устройств к материнской плате, то интерфейс шины включает еще и стандарт на ее разъем.

Главной шиной является системная шина или шина чипсет-процессор. Она обеспечивает обмен данными между процессором и микросхемами материнской платы – ОЗУ, микросхемами чипсета и флэш-ПЗУ. Другие шины предназначены для подключения периферийных устройств. Взаимодействие процессора и его системной шины с другими шинами обеспечивает чипсет материнской платы.

Системная шина состоит из трех групп проводников, которые называются соответственно шина адреса, шина управления и шина данных.

Шина адреса предназначена для передачи номера или адреса одной из ячеек от процессора в оперативную память (в одном направлении!). В современных компьютерах шина адреса в основном 32-разрядная (в процессорах Pentium Extreme Edition – составляет 64 бита). Разрядность адресной шины является одной из основных характеристик ПК.

Шина управления служит для передачи из ОП команд, управляющих процессом обработки данных. Большинство современных процессоров работают с 32-разрядной шиной команд, хотя существуют 64-разрядные и даже 128-разрядные шины команд.

Шина данных предназначена для передачи данных из ОП в процессор и обратно. В современных персональных компьютерах шина данных 64-разрядная, т.е. состоит из 64 линий.

В качестве системной магистрали в современных ПЭВМ используются:

• шины расширений – шины общего назначения, позволяющие подключать большое число самых разнообразных устройств;
• локальные шины, специализирующиеся на обслуживании устройств определенного типа.

В ряде случаев для подключения внешних периферийных устройств необходимо использовать внутреннее периферийное устройство, которое называют адаптером или контроллером (служат для управления внешними периферийными устройствами). Конструктивно внутреннее периферийное устройство представляет собой плату (плата расширения), которая устанавливается в гнезда материнской платы – слоты.

На сегодняшний день наиболее распространенными шинами для подключения дополнительных внутренних устройств являются шины:

• PCI – для подключения адаптеров (звуковых, видеокарт, внутренних модемов, внутренних TV-тюнеров и т.д.);
• AGP – для подключения производительных видеоакселераторов;
• IDE (ATA) и SCSI [Скази] (Small Computer System Interface – интерфейс малых компьютерных систем), SCSI-2, и SCSI-3 – для подключения жестких дисков, дисководов CD-ROM и других видов устройств.

На новых материнских платах стали появляться новые типы слотов, называемые PCI Express. В перспективе они должны заменить и PCI, и AGP. Эти слоты конструктивно отличаются размерами и количеством контактов и имеют разное количество линий и, соответственно, разную пропускную способность. Для установки видеокарты предназначен слот PCI Express 16x. Устройства, предназначенные для установки в меньшие слоты, как правило, можно установить и в больший слот, но не наоборот.

Для подключения жестких дисков IDE к современным материнским платам специального адаптера не требуется. Для подключения SCSI-устройств на материнской плате должна быть установлена либо специальная микросхема (о таких материнских платах часто говорят материнская плата с поддержкой SCSI), выполняющая функции контроллера SCSI, либо контроллер, конструктивно представляющий собой плату расширения с интерфейсом PCI.

Наиболее распространенными на сегодняшний день шинами для подключения внешних периферийных устройств являются:

• последовательные и параллельные порты;
• порты для мыши и клавиатуры PS/2 [Пи-Эс-два];
• SCSI;
• USB, USB 2.0;
• FireWire (IEEE1394).

Порты не являются шинами в буквальном смысле, поскольку к каждому порту может одновременно подключаться только одно устройство, но выполняют аналогичные шинам функции. Разъемы шин и портов для подключения внешних периферийных устройств обычно находятся на задней стенке системного блока.

Микропроцессорный комплект (чипсет). Набор микросхем является вторым важным компонентом материнской платы после процессора. Обычно это от одной до пяти микросхем, в которых содержаться основные компоненты материнской платы. Для сравнения, современный набор микросхем заменяет более 150 отдельных компонентов, используемых в оригинальной системе IBM AT.

В настоящее время базовую основу большинства чипсетов материнских плат составляют две микросхемы, исторически получившие название «северный мост» и «южный мост». «Северный мост» обычно управляет взаимосвязью процессора, оперативной памяти и шины AGP. «Южный мост» выполняет функции контроллера жестких и гибких дисков (вспомните, что для подключения последних не требуется платы расширения), функции контроллера шины PCI, контроллера клавиатуры, мыши, шины USB и т.д.

Платы расширения. Как уже упоминалось, платы расширения предназначены для подключения внешних периферийных устройств. Они являются своеобразным «мостом» между интерфейсом материнской платы и интерфейсом внешнего периферийного устройства. Платы расширения устанавливаются в разъемы шин – слоты. Они выполняют функции адаптеров или контроллеров – устройств, предназначенных для управления работой внешнего периферийного оборудования. С этой целью адаптеры выполняют интерпретацию («понимание» и выполнение) команд процессора для периферийного устройства, а также предварительную обработку данных для центрального процессора. Платы расширения более известны под названием «карты», например видеокарта (графическая карта), звуковая карта, сетевая. В виде плат расширения реализованы также SCSI-контроллер, внутренний модем и др.