Файл: Функциональная система современного персонального компьютера.pdf

Для описания работы цифровых устройств используется двоич­ная система счисления, Булева логика, законы алгебры логики.

Процессоры классифицируются по базовому типу, называюще­муся семейством. С целью преемственности программного обеспе­чения последующие модели и модификации процессоров, как пра­вило, содержат всю систему команд своих предшественников. Суще­ствует большое количество различных семейств процессоров, среди которых можно выделить семейство Intel и совместимых с ними AMD и Cyrix, на которых базируется значительная часть ПК. Фир­мой Intel был создан процессор Pentium и его модификации Pentium Pro, Pentium II, Pentium III, Pentium IV. Процессоры фирмы Motorola, применяемые в компьютерах фирмы Apple, относятся к другому семейству.

Основными характеристиками процессора являются:

- быстродействие – количество операций, производимых в 1 секунду, измеряется в бит/сек. Каждая последующая модель имеет более высокую производительность по сравнению с предыдущей. Современные процессоры обладают расширением ММХ (MultiMedia eXtention – расширение мультимедиа);

- тактовая частота – количество тактов, производимых процес­сором за 1 секунду. Операции, производимые процессором, не яв­ляются непрерывными, они разделены на такты. Эта характери­стика определяет скорость выполнения операций и непосредст­венно влияет на производительность процессора;

- разрядность – количество двоичных разрядов, которые про­цессор обрабатывает за один такт. Указывая разрядность процессо­ра 64, имеют в виду, что процессор имеет 64-разрядную шину дан­ных, то есть за один такт он обрабатывает 64 бита.

Микропроцессор выполняет в основном функции двух устройств:

- устройство управления, которое формирует и подает во все блоки ПК в нужные моменты времени определенные сигналы (управляющие импульсы), формирует адреса ячеек памяти, ис­пользуемых выполняемой операцией, и передает их в другие блоки компьютера;

- арифметико-логическое устройство, предназначенное для вы­полнения арифметических и логических операций над инфор­мацией.

Для хранения информации служит запоминающее устройство. Ос­новная память ПК состоит из оперативного запоминающего устрой­ства (ОЗУ) и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ).

Оперативная память (RAM – Random Access Memory – память с произвольным доступом) является очень важным элементов ком­пьютера. В ней хранятся программы и данные, с которыми непосред­ственно работает ПК.

Кон­структивно представляет собой набор микросхем, размещенных на одной небольшой плате (модуле, планке). Модуль (модули) опера­тивной памяти вставляется в соответствующий разъем материнской платы, позволяя таким образом связываться с другими устройства­ми ПК.

---

Для того чтобы какая-либо программа выполнилась, она должна быть загружена в оперативную память. Оперативная память являет­ся энергозависимой, то есть хранит информацию, пока компьютер вклю­чен (подано питание на модуль оперативной памяти). В оператив­ную память программа и данные для ее работы попадают из других устройств, загружаются из внешней памяти, энергонезависимых устройств памяти (жесткий диск, компакт-диск и т.д.). Таким обра­зом, загрузить программу означает прочесть ее из файла, находяще­гося на одном из устройств внешней памяти, и прочитанную копию разместить в оперативную память, после этого микропроцессор начнет ее выполнение.

Оперативная память хранит загруженную, выполняющуюся программу и данные, которые с её помощью обрабатываются. Если после обработки предполагается дальнейшее использование данных (это может быть и текстовой документ, и графическое изображение, и табличные данные, и звук), то копию этого документа из опера­тивной памяти можно записать на одном из устройств внешней па­мяти (например, на жестком диске), создав на жестком диске файл, хранящий документ.

Основными характеристиками оперативной памяти являются объём, время доступа и плотность записи информации.

Объём па­мяти определяется максимальным количеством информации, кото­рая может быть помещена в эту память, и выражается в мегабайтах, гигабайтах.

Время доступа к памяти (секунды) представляет собой минимальное время, достаточное для размещения в памяти едини­цы информации.

Плотность записи информации (бит/см2) пред­ставляет собой количество информации, записанной на единице поверхности носителя. Важнейшей характеристикой компьютера в целом является его производительность, т.е. возможность обрабаты­вать большие объемы информации. Производительность ПК во мно­гом определяется быстродействием процессора, а также объемом опе­ративной памяти и скоростью доступа к ней.

Оперативная память изготавливается в виде небольших печат­ных плат с рядами контактов, на которых размещаются интеграль­ные схемы памяти (модули памяти). Модули памяти различаются по размеру и количеству контактов (SIMM или DIMM), по быстро­действию и объему.

Важнейшей характеристикой модулей оперативной памяти яв­ляется быстродействие – частота, с которой считывается или запи­сывается информация в ячейки памяти.

Оперативная память состоит из огромного количества ячеек (де­сятки миллионов), в каждой из которых хранится определенная ин­формация. От объема оперативной памяти зависит, сможет ли ком­пьютер работать с той или иной программой. При недостаточном количестве памяти программы либо совсем не будут работать, либо будут работать медленно.

---

Для ускорения доступа к оперативной памяти используется кэш­память (cache – запас). Это сверхбыстрая оперативная память, пред­назначенная для временного хранения текущих данных и помещен-ная между оперативной памятью и процессором. Объем кэш-памяти до 1Мб. Специальные программно-аппаратные средства обеспечива­ют опережающее копирование данных из оперативной памяти в кэш и обратное копирование данных по окончании их обработки. Обра­ботка данных в кэш-памяти производится быстрее, что приводит к увеличению производительности ПК. Непосредственного доступа из программы в кэш-память нет.

CMOS-память (изготовленная по технологии CMOS – Comple- Mentary Metal – oxide semiconductor) предназначена для длительно­го хранения данных о конфигурации и настройке компьютера (дата, время, пароль), в том числе и когда питание компьютера выключено. Для этого используют специальные электронные схемы со средним быстродействием, но очень малым энергопотреблением, питаемые от специального аккумулятора, установленного на материнской пла­те. Это полупостоянная память.

Постоянная память (ROM – Read-Only Memory – память только для чтения) используется для хранения неизменяемой информации: загрузочных программ и операционной системы, программ тестирова­ния устройств компьютера и выполнения базовых функций по их об­служиванию. Большая часть этих программ связана с обслуживанием процессов ввода-вывода, поэтому содержимое ПЗУ часто называют BIOS (Base Input-Output System или базовая система ввода-вывода). ПЗУ в отличие от ОЗУ является энергонезависимым (информация при выключении компьютера сохраняется).

Каждая ячейка основной памяти имеет свой адрес. Основная па­мять имеет для ОЗУ и ПЗУ единое адресное пространство – совокуп­ность ячеек памяти, к которым можно обращаться с использованием машинного адреса.

Персональный компьютер (ПК) – это сложная система взаимосвя­занных аппаратных (технических) и программных средств, способ­ных принимать, хранить, перерабатывать и выдавать информацию по определенному алгоритму или программе.

Под аппаратными средствами понимается оборудование ПК, участвующее в автоматической обработке данных.

Для выполнения процесса обработки данных в состав компьютера входят различные устройства, выполняющие определенные функции. Эти устройства принято разделять на центральные (основные) и периферийные (устройства, осуществляющие связь с различными источниками и по­лучателями информации).

Рассмотрим принципы взаимодействия основных устройств.

---

Материнская (системная) плата – важнейший элемент ПК, к которому подключено все то, что составляет сам компьютер. Она служит для объединения и организации взаимодействия других компонентов. По сути, выбор конфигурации компьютера начинается именно с выбора системной платы. В нее устанавливается процес­сор, оперативная память, с ней связаны жесткий диск и CD-ROM, к ней через соответствующие различным интерфейсам разъемы и пор­ты подключаются различные дополнительные устройства. Таким об­разом, материнская плата, центральный процессор, оперативная па­мять составляют основу ПК, от их производительности зависит производительность компьютера в целом. Материнские платы раз­личаются по типу процессоров, которые могут быть на них установ­лены, и названиям фирм, их выпускающих. На материнской плате находятся специальные перемычки – джамнеры, позволяющие подстроить ее под тип процессора и других устройств, устанавли­ваемых на ней.

В компьютер можно добавлять дополнительные устройства, используя стандартные способы их подключения. Все узлы компь­ютера взаимосвязаны физически и логически. На материнской пла­те устанавливаются разъемы для установки дополнительных уст­ройств – слоты расширения.

Все дополнительные устройства взаимодействуют с процессо­ром и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных – системную шину. Виды слотов расширения различаются по типу шины. Данные могут передаваться между внешними устройствами и процессором, оперативной памятью и процессором, внешними устройствами и оперативной памятью или между устройствами вво­да-вывода. Шина характеризуется типом, разрядностью, частотой и количеством подключаемых внешних устройств. При работе с опе­ративной памятью шина проводит поиск нужного участка памяти и обменивается информацией с найденным участком. Эти задачи выполняют две части системной шины: адресная шина и шина дан­ных.

Системная (общая) шина – это канал передачи электрических сигналов для обмена информацией между основными и дополнитель­ными устройствами компьютера. Она обеспечивает три направления передачи информации:

- между микропроцессором и основной памятью;

- между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

- между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств в режиме прямого доступа.

Управление работой системной шины осуществляется микро­процессором. Важнейшими характеристиками системной шины яв­ляются:

---

- количество обслуживаемых ею устройств;

- пропускная способность (скорость передачи информации).

Пропускная способность зависит от тактовой частоты, на которой работает шина, и от разрядности шины. Разрядность – это макси­мальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновре­менно производится элементарная машинная операция, в том числе и операция передачи информации. Чем больше разрядность, тем при прочих равных условиях будет больше производительность. Напри­мер, 64-разрядная шина за один такт передает два 32-разрядных числа, а 32-разрядная шина – одно.

Связь всех функциональных устройств ПК определяется интерфей­сами. Интерфейс – это совокупность правил и средств, устанавлива­ющих единые принципы взаимодействия устройств ПК. Например, интерфейс периферийного устройства включает в себя: техническое устройство, наборы передаваемых сигналов и правила обмена инфор­мацией с центральным устройством.

Системный интерфейс персонального компьютера – система свя­зи и сопряжения узлов и блоков ПК между собой. Она представляет собой совокупность электрических линий связи (проводов), схем со­пряжения с устройствами компьютера, протоколов (правил) передачи и преобразования сигналов. В большинстве современных ПК в качестве системного интерфей­са используется системная шина.

Совокупность интерфейсов, реализованных в компьютере, обра­зует то, что называют архитектурой компьютера.

Для добавления в ПК нового дополнительного устройства необхо­дим контроллер – устройство, аппаратно согласовывающее работу системы и дополнительного устройства. Кроме того, необходим драй­вер этого устройства – программа, позволяющая программно связать это устройство с системой в целом.

Контроллер должен учитывать аппаратные особенности под­ключаемого устройства, а драйвер должен позволить операционной системе, используя стандартный набор командных запросов, управ­лять нестандартным устройством.

Драйвер выступает в роли «переводчика» с языка операционной системы на язык конкретного устройства, контроллер выступает в роли аппаратного «мостика» между системой в целом и дополни­тельным устройством.

С помощью периферийных устройств осуществляется связь с различными источниками (поставщиками) и получателями (потребите­лями) информации.

К периферийным устройствам относятся устройства ввода-вывода и внешняя память.

К аппаратным средствам ввода информации в ПК относятся:

---