Файл: Архитектура современных компьютеров..pdf

Схемы, которые управляют внешними устройствами компьютера, называемые адаптерами или контроллерами, находятся на отдельных платах, вставляемых в унифицированные слоты на материнской плате^[21] [4, 12].

Системная магистраль

Системной магистралью или компьютерной шиной в архитектуре компьютера называют подсистему, которая служит для передачи данных между функциональными блоками компьютера. Шина устроена таким образом, что в ней выделяют логический, электрический и физический уровни^[22].

Основным назначением шины является возможность подключения нескольких устройств по одному набору проводников, что отличает ее от соединения точка-точка. У каждой шины существует собственный набор соединений для физического подключения кабелей и устройств^[23].

Шины в первых компьютерах являлись связанными пучками соединительных сигнальных проводов и проводов питания, которые реализовывали базовые функции параллельных электрических шин с несколькими подключениями. В современных вычислительных системах данный термин используется для любых физических механизмов, которые предоставляют такую же логическую функциональность, как параллельные компьютерные шины^[24].

Современные компьютерные шины используют как последовательные, так и параллельные соединения и могут иметь цепные и параллельные топологии. Некоторые шины также допускают использование концентраторов.

Большое количество используемых на сегодняшний день скоростных шин используют оптические, а не электрические соединения для передачи сигналов. В качестве примеров таких шин можно привести SDH, Fibre Channel, скоростной Ethernet и InfiniBand^[25].

Шины устроены таким образом, что разъемы и другие присоединители унифицированы, позволяя подключать к шине различные виды устройств.

Передачей данных по шине может управлять либо ядро операционной системы, в таком случае к нему прилагается соответствующий драйвер, либо управление реализуется на уровне прохождения сигнала.

По одной из классификаций шины разделяют на параллельные и последовательные. Параллельные шины переносят данные по словам, которые распределены между несколькими проводниками, а последовательные шины переносят данные побитово^[26].

Также различают внутренние и внешние шины. Внешние шины подключают к материнской плате внешнюю периферию, а внутренние подключают внутренние компоненты компьютера. Тип внутренних шин также называется локальной шиной, так как она служит для подключения локальных устройств

Иногда в качестве шин также рассматривают сетевые соединения, такие, как InfiniBand и HyperTransport^[27] [8, 9, 10, 12].

По итогам данной главы можно отметить сложность архитектуры современных компьютеров, по сравнению с другими устройствами нашего времени. Многие методы передачи логики в электронных схемах были разработаны специально для компьютера и используются только в нем.

2. Основные устройства компьютера

2.1. Монитор

Мониторы являются устройствами, служащими для обеспечения работы с компьютером пользователя в диалоговом режиме за счет вывода на экран символьной и графической информации, которая передается точками, получающимися разбиением экрана на строки и столбцы.

Количество точек, называемых пикселями, на экране представляет разрешающую способность монитора. В настоящее время компьютерные мониторы работают в режимах различных комбинаций 4х3 и 16х9 соотношений количества пикселей по вертикали и горизонтали^[28].

Современные мониторы делятся по принципу действия на:

• плазменные мониторы;
• жидкокристаллические дисплеи;
• мониторы, базирующиеся на электронно-лучевой трубке.

Самыми распространенными сегодня являются жидкокристаллические дисплеи, но самым высоким качеством изображения обладают плазменные панели^[29] [6, 13].

Внешний вид жидкокристаллического монитора представлен на рисунке 4.

Рис. 4. Внешний вид жидкокристаллического монитора

2.2. Мышь

Манипулятор мышь является устройством управления манипуляторного типа, выглядящим как небольшая коробочка с клавишами. Перемещение мыши по плоской поверхности синхронизировано с перемещением указателя мыши на экране монитора^[30].

Ввод информации осуществляется перемещением курсора в определенную область экрана и кратковременным нажатием кнопок манипулятора или щелчками. По принципу работы манипуляторы делятся на механические, оптомеханические, оптические и лазерные^[31] [2, 8].

2.3. Клавиатура

Клавиатура является устройством, предназначенным для ввода информации пользователем в компьютер. Стандартная клавиатура обладает набором, состоящим из более 100 клавиш, которые разделяются на группы: клавиши пишущей машинки, цифровые клавиши, клавиши редактирования, специальные клавиши, функциональные клавиши F1 – F12 и две группы клавиш управления курсором^[32].

Размещение клавиш группы пишущей машинки соответственно располагается как на пишущей машинке. Латинские буквы на клавиатуре персонального компьютера обычно располагаются так же, как на английской пишущей машинке, а кириллические – как на русской пишущей машинке. Специальные клавиши Esc, Alt, Ctrl, Scroll Lock, Num Lock, Pause и Print Screen располагаются внутри блока клавиш пишущей машинки и в отдельном блоке. Они предназначены для ввода специальных команд или сочетаний клавиш. Клавиши редактирования Delete, Insert и BackSpace необходимы для удаления и изменения введенного текста. Обычно эти клавиши располагают со второй группой клавиш управления курсором: Page Down, Page Up, Home и End. Первая группа представляет собой стрелки для управления курсором и обычно располагается отдельно^[33].

Клавиша NumLock расположена в группе цифровых клавишей и предназначена для переключения режима работы с ввода цифр на управление курсором и обратно. Функциональные клавиши F1 – F12 располагаются в верхней части клавиатуры и предназначаются для вызова наиболее используемых команд.

С целью ввода символов верхнего регистра и прописных букв используется клавиша Shift. Например, для ввода прописной буквы, необходимо держать нажатие клавиши Shift и нажать клавишу с необходимым символом^[34].

Клавиша Caps Lock используется с целью фиксации режима верхнего регистра. Клавиша Space используется с целью ввода между символами пробела. Клавиша Enter обозначает окончание ввода какой-либо информации или команды, а в режиме редактирования текста переносит курсор на следующую строку.

Переключение языка раскладки клавиатуры можно осуществить с помощью переключателя клавиатуры, который расположен на панели задач, либо при помощи сочетаний клавиш Shift+ Alt или Shift+ Ctrl, в зависимости от выбора пользователя^[35] [6, 10].

2.4. Центральный процессор

Центральный процессор является электронным блоком либо интегральной схемой, исполняющим инструкции машины, основная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера^[36].

Изначально термином «центрального процессорного устройства» описывался специализированный класс логических машин, которые предназначены для исполнения сложных компьютерных программ. Ввиду очень полного совпадения этого назначения с функциями компьютерных процессоров, которые существовали в то время, он стал использоваться для названия самих компьютеров^[37].

Главными характеристиками центрального процессорного устройства являются: производительность, тактовая частота, нормы используемого при производстве литографического процесса, энергопотребление и архитектура^[38].

Ранние центральные процессоры имели назначение уникальных составных частей с целью использования в уникальных или даже единственных компьютерных системах. Позже производители компьютеров перешли от невыгодной разработки узкоспециализированных процессоров к изготовлению многоцелевых устройств. В эпоху бурного развития мейнфреймов, полупроводниковых элементов и миникомпьютеров зародилась тенденция к стандартизации комплектующих, а при появлении интегральных схем она получила еще большую популярность. Путем создания микросхем была еще больше увеличена сложность центральных процессоров с одновременным уменьшением их физических размеров. Миниатюризация и стандартизация процессорных устройств стали приводить к глубокому внедрению в повседневную жизнь человека различных цифровых устройств. Устройства, основанные на современных процессорах, могут быть не только такими высокотехнологичными устройствами, как компьютеры, но и мобильными телефонами, калькуляторами и автомобилями. Обычно в подобных устройствах на микроконтроллере помимо вычислительного устройства расположены дополнительные компоненты на кристалле. Вычислительные возможности современных микроконтроллеров сравнимы с показателями аналогичных процессоров десятилетней давности^[39] [5, 10, 12].

Внешний вид центрального процессора представлен на рисунке 5.

Рис. 5. Внешний вид центрального процессора

2.5. Материнская плата

Материнская плата представляет собой базовое устройство компьютера для установки процессора, оперативной памяти и плат расширения. К ней подключаются устройства ввода/вывода, дисковые накопители и другие подобные компоненты. Системная плата обеспечивает их взаимодействие, используя специальный набор микросхем системной логики, или чипсет^[40].

На системной плате также располагаются другие устройства, например микросхема BIOS, батарейка для питания часов, память с автономным питанием и тактовый генератор^[41] [3, 8].

Внешний вид материнской платы представлен на рисунке 6.

Рис. 6. Внешний вид материнской платы

2.6. Видеокарта

Видеокарта является устройством, преобразующим хранящийся как содержимое памяти компьютера графический образ в форму, пригодную для дальнейшего вывода на экран монитора. Первые мониторы, основанные на технологии ЭЛТ, работали также, как и телевизоры, по принципу сканирования экрана электронным лучом, и для отображения требовался генерируемый видеокартой видеосигнал^[42].

Чаще всего видеокарта выглядит как печатная плата и вставляется в универсальный или специализированный разъём расширения. Наиболее популярными разъемами являются AGP и PCI-Express. Также широко распространены встроенные в системную плату видеокарты. Встроенные видеокарты могут иметь вид отдельного чипа или составляющей части северного моста чипсета или центрального процессорного устройства^[43] [4, 11].

2.7. Жесткий диск

Жесткий диск является запоминающим устройством произвольного доступа, основанным на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров^[44].

В отличие от дискеты, информация в накопителе на жестких магнитных дисках записывается на жесткие стеклянные или алюминиевые пластины, которые покрыты слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома. В накопителе на жестких магнитных дисках используется одна или несколько пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров, а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной парковочной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков^[45].

Также, в отличие от гибкого диска, носитель информации обычно совмещают с накопителем, приводом и блоком электроники. Такие жёсткие диски часто используются в качестве несъёмного носителя информации^[46] [8, 10, 12].