Файл: Архитектура современного ПК (Структура эвм. основные элементы пк).pdf

Системные устройства ввода/вывода — это те устройства, которые необходимы для работы компьютера и взаимодействия со стандартными внешними устройствами по параллельному и последовательному интерфейсам. Они могут быть выполнены на материнской плате, а могут располагаться на платах расширения.

Платы расширения устанавливаются в слоты (разъемы) системной магистрали и могут содержать оперативную память и устройства ввода/вывода. Они могут обмениваться данными с другими устройствами на шине в режиме программного обмена, в режиме прерываний и в режиме ПДП. Предусмотрена также возможность захвата шины, то есть полного отключения от шины всех системных устройств на некоторое время.

Важная особенность подобной архитектуры — ее открытость, то есть возможность включения в компьютер дополнительных устройств, причем как системных устройств, так и разнообразных плат расширения. Открытость предполагает также возможность простого встраивания программ пользователя на любом уровне программного обеспечения компьютера.

Первый компьютер семейства, получивший широкое распространение, IBM PC XT, был выполнен на базе оригинальной системной магистрали PC XT-Bus. В дальнейшем (начиная с IBM PC AT) она была доработана до магистрали, ставшей стандартной и получившей название ISA (Industry Standard Architecture). До недавнего времени ISA оставалась основой компьютера.

Однако, начиная с появления процессоров i486 (в 1989 году), она перестала удовлетворять требованиям производительности, и ее стали дублировать более быстрыми шинами: VLB (VESA Local Bus) и PCI (Peripheral Component Interconnect bus) или заменять совместимой с ISA магистралью EISA (Enhanced ISA).Постепенно шина PCI вытеснила конкурентов и стала фактическим стандартом, а начиная с 1999 года в новых компьютерах рекомендуется полностью отказываться от магистрали ISA, оставляя только PCI. Правда, при этом приходится отказываться от применения плат расширения, разработанных за долгие годы для подключения к магистрали ISA.

Другое направление совершенствования архитектуры персонального компьютера связано с максимальным ускорением обмена информацией с системной памятью. Именно из системной памяти компьютер читает все исполняемые команды, и в системной же памяти он хранит данные. То есть больше всего обращений процессор совершает именно к памяти. Ускорение обмена с памятью приводит к существенному ускорению работы всей системы в целом.

Но при использовании для обмена с памятью системной магистрали приходится учитывать скоростные ограничения магистрали. Системная магистраль должна обеспечивать сопряжение с большим числом устройств, поэтому она должна иметь довольно большую протяженность; она требует применения входных и выходных буферов для согласования с линиями магистрали. Циклы обмена по системной магистрали сложны, и ускорять их нельзя. В результате существенного ускорения обмена процессора с памятью по магистрали добиться невозможно.

Разработчиками был предложен следующий подход. Системная память подключается не к системной магистрали, а к специальной высокоскоростной шине, находящейся «ближе» к процессору, не требующей сложных буферов и больших расстояний. В таком случае обмен с памятью идет с максимально возможной для данного процессора скоростью, и системная магистраль не замедляет его. Особенно актуальным это становится с ростом быстродействия процессора (сейчас тактовые частоты процессоров персональных компьютеров достигают 1 - 3 ГГц).

Таким образом, структура персонального компьютера из одношинной, применявшейся только в первых компьютерах, становится трехшинной.

Рисунок 3.Организация связей в случае трехшинной структуры

Назначение шин следующее(Рисунок 3):

к локальной шине подключаются центральный процессор и кэш-память (быстрая буферная память);
к шине памяти подключается оперативная и постоянная память компьютера, а также контроллер системной шины;
к системной шине (магистрали) подключаются все остальные устройства компьютера.

Все три шины имеют адресные линии, линии данных и управляющие сигналы. Но состав и назначение линий этих шин не совпадают между собой, хотя они и выполняют одинаковые функции. С точки зрения процессора, системная шина (магистраль) в системе всего одна, по ней он получает данные и команды и передает данные как в память, так и в устройства ввода/вывода.

Временные задержки между системной памятью и процессором в данном случае минимальны, так как локальная шина и шина памяти соединены только простейшими быстродействующими буферами. Еще меньше задержки между процессором и кэш-памятью, подключаемой непосредственно к локальной шине процессора и служащей для ускорения обмена процессора с системной памятью.

Если в компьютере применяются две системные шины, например, ISA и PCI, то каждая из них имеет свой собственный контроллер шины, и работают они параллельно, не влияя друг на друга. Тогда получается уже четырехшинная, а иногда и пятишинная структура.

Рисунок 4.Пример многошинной структуры

В наиболее распространенных настольных компьютерах класса Desktop в качестве конструктивной основы используется системная или материнская плата (motherboard), на которой располагаются все основные системные узлы компьютера, а также несколько разъемов (слотов) системной шины для подключения дочерних плат — плат расширения (интерфейсных модулей, контроллеров, адаптеров). Как правило, современные системные платы допускают замену процессора, выбор его тактовой частоты, замену и наращивание оперативной памяти, выбор режимов работы других узлов.

Устройство современного компьютера

Компьютеры разрабатывались как электронно-вычислительные машины необходимые для автоматизации вычислений. Сейчас компьютеры используются во многих сферах человеческой деятельности, порой даже не связанных с вычислениями напрямую.

Все многообразие персональных компьютеров можно поделить на три основные группы:

Стационарные персональные компьютеры (Error: Reference source not found);
Мобильные персональные компьютеры (ноутбуки) (Error: Reference source not found);
Карманные персональные компьютеры (КПК¹, коммуникаторы, смартфоны) (Рисунок 7).

Рисунок 5

Рисунок 6

Рисунок 7

Современные персональные компьютеры обычно состоят из следующих основных блоков:

Системный блок

Системный блок является основной частью персонального компьютера.

Системный блок состоит из следующих деталей:

Материнская плата (системная плата) – это плата, по средствам которой центральный процессор получает электропитание, а также доступ к оперативной памяти и прочим устройствам системы (Рисунок 8).

Рисунок 8

К материнской плате подключаются следующие устройства:

- Центральный процессор – устройство, выполняющее программы на персональном компьютере (Рисунок 9).

Рисунок 9

Процессор состоит из следующих компонентов:

Арифметико-логическое устройство – выполняет арифметические операции (сложение, вычитание, умножение, деление) и операции программной логики (сравнение, условный переход, повторение).

Арифметико-логическое устройство может работать только с регистрами процессора;

Устройство управления – контролирует последовательность выполнения команд программы размещенной в оперативной и кэш-памяти. Устройство управления может обмениваться информацией с различными устройствами компьютера;

Регистры процессора – специальный вид памяти, небольшого объема, необходимый для временного хранения данных с которым работает процессор;

Кэш-память процессора – оперативная память процессора, в которой хранятся часто вызываемые фрагменты программ и часто используемые ими данные.

Кэш-память процессора имеет значительно меньший объем, но зато работает в разы быстрее обычной оперативной памяти. Она необходима для увеличения производительности процессора;

И другие;

Оперативная память (ОЗУ, оперативное запоминающее устройство) – устройство необходимое для временного хранения выполняемых программ и данных, с которыми эти программы взаимодействуют (Рисунок 10);

Рисунок 10

Устройство системного времени – необходимо для работы программ и процессора с системным временем;

Видеокарта – данная карта (плата) предназначена для обработки и вывода графической информации на дисплей персонального компьютера (Рисунок 11).

Рисунок 11

Если видеокарта не является встроенной в материнскую плату – она имеет свой процессор и оперативную память, в противном случае выводом графической информации занимается материнская плата, используя для этого ресурсы центрального процессора и основной оперативной памяти.

Как правило, в ноутбуках и КПК видеокарта встроена в материнскую плату;

Звуковая карта – данная карта (плата) предназначена для ввода/вывода звуковой информации через микрофон и динамики соответственно (Error: Reference source not found).

Рисунок 12

Звуковая карта, также, может быть встроена в материнскую плату;

Системные накопители информации – устройства необходимые для долговременного хранения информации.

В отличии от оперативной памяти, данные сохраненные на таких накопителях не исчезают в отсутствии электропитания.

В стационарных персональных компьютерах и ноутбуках в качестве системных накопителей используются жесткие магнитные диски («винчестер», Hard Disk Drive, HDD), тогда как в КПК используются накопители на основе флэш-памяти.

Рисунок 13

Разработчики персональных компьютеров в будущем планируют заменить жесткие диски флэш-памятью, т.к. флэш-память надежнее жестких дисков, ее относительный объем с каждым годом неуклонно растет, скорость чтения/записи постоянно возрастает, а цена на нее неизбежно падает. Устройства, имеющие системные накопители информации на основе флэш-памяти, не боятся магнитных полей и вибрации, расходуют существенно меньше энергии из-за отсутствия магнитных дисков и необходимости их вращения, а из-за отсутствия трущихся деталей они более надежны и долговечны.

Устройство чтения/записи дискет 3,5 дюйма (флоппи-дисковод) – название говорит само за себя.

Рисунок 14

Данные дискеты содержат в себе гибкий магнитный диск, диаметр которого равен 3,5 дюйма. На одну такую дискету можно записать не более 1,38 мегабайта информации.

Эти дискеты крайне не надежны, да и цена на них зачастую выше стоимости оптических дисков (CD-R).

Дискеты постепенно вытесняются оптическими дисками и картами флэш-памяти.

Флоппи-дисковод отсутствует в ноутбуках и КПК;

Устройство чтения/записи лазерных (оптических) дисков.

Рисунок 15

Рисунок 16

Существует несколько распространенных стандартов оптических дисков, среди которых:

- - CD (от 650 до 870 мегабайт);
  - DVD (от 4,7 до 17,4 гигабайт);
  - HD DVD (от 15 до 45 гигабайт);
  - Blu-ray (от 25 до 100 гигабайт и выше)².

Рисунок 17

Диски всех указанных стандартов могут быть записаны как промышленным способом, так и в индивидуальных устройствах чтения/записи оптических дисков, правда, не все модели данных устройств способны читать/записывать в соответствующих стандартах, но как правило, если поддерживается последний стандарт (в списке), тогда поддерживаются и все предыдущие.

Данные диски могут быть предназначены как для однократной, так и многократной видов записи цифровой информации, они могут быть однослойными (CD, DVD, HD DVD, Blu-ray), многослойными и двухсторонними (DVD, HD DVD, Blu-ray).

Последние два стандарта, только начали внедряться во всем мире.

Устройство чтения/записи лазерных (оптических) дисков отсутствует в КПК и в некоторых моделях ноутбуков;

Устройство чтения/записи карт флэш-памяти.

Рисунок 18

Карты флэш-памяти используются в мобильных телефонах, цифровых фотоаппаратах и видеокамерах…

Вот некоторые типы карт флэш-памяти: