Состав и функции оборудования ПК

ПК предназначен для массового пользователя в качестве современного инструмента в решении задач доступного уровня сложности практически во всех областях интеллектуальной деятельности.

Рассмотрим состав и функции ПК на примере ПК IBM (первый – 1981г.), появление которого произвело в мире настоящую информационную революцию. До появления ПК IBM все модели микрокомпьютеров имели закрытую архитектуру, т.е. любая модификация требовала высокой квалификации в области электроники. После сборки микрокомпьютера, система была обречена на необратимое старение. Фирма IBM предложила открытую архитектуру, допускающую замену старых устройств на новые при старении. Это поддерживается строго соблюдаемым правилом: все новые устройства и программы должны быть совместимы по принципу “сверху-вниз”, т.е. последующие версии должны обслуживать (поддерживать) все ранее существовавшее.

В состав ПК входят следующие основные части:

- системный блок (процессор),

- монитор (дисплей),

- клавиатура,

- мышь,

периферийные устройства.

Состав вычислительной системы называют конфигурацией.

I. Системный блок

(Основное устройство, включающее в себя все основные компоненты электроники ПК).

Системные блоки различают по внешнему виду: горизонтальное исполнение (desktop, различают плоские горизонтальные и особо плоские slim), вертикальное (tower, различают big tower, midi tower, mini tower) исполнение. Важен еще один параметр форм-фактор. От него зависит требования к подключаемым устройствам. Существуют два форм-фактора: AT и ATX. Корпуса поставляются вместе с блоком питания (чаще 200-250 Вт). UPS - источник бесперебойного питания (5-15 минут ПК работает на аккумуляторе).

1. Материнская плата – основная плата ПК, называемая системной или материнской. Она включает в себя комплекс главных функциональных элементов ПК. На ней размещаются:

Ø Микропроцессорный комплект (чип сет)– набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств ПК и определяющих основные возможности материнской платы. Параметры чипсета в наибольшей степени определяют свойства и функции материнской платы. В настоящее время большинство чипсетов материнских плат выполняются на базе двух микросхем, получивших название «северный мост» и «южный мост».

СМ управляет взаимосвязью четырех устройств: процессора, оперативой памяти, порта AGP и шины PCI. Поэтому его называют четырехпортовым контроллером.

ЮМ называют также функциональным контроллером. Она выполняет функции контроллера жесткого и гибкого дисков, функции моста ISA-PCI, контроллера клавиатуры, мыши, шины USB и т. п.

Ø Микропроцессор(называется мозгом компьютера) - основная микросхема, которая выполняет всю обработку информации (интерпретация и формирование команд, форматирование данных, управление обменом с памятью и шиной). Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки ОП, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называются регистрами. Скорость работы микропроцессора определяет быстродействие ПК. В компьютерах марки IBM используются микропроцессоры модели Intel (Intel 8088, Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486, Pentium). Основной характеристикой МП является его тактовая частота – количество элементарных тактов обработки (операций) в секунду. Измеряется тактовая частота в МГц. Чем выше модели МП, тем выше их тактовая частота. МП Intel 8088 имели тактовую частоту 4,7 МГц, Intel 80286, Intel 80386 – от12 до 25 МГц, Intel 80486 – 25-50 МГц, Pentium – от 100 и выше МГц.

Микропроцессор включает в себя:

§ АЛУ – арифметико-логическое устройство;

§ блок управления памятью - предназначен для сегментации оперативной памяти на фрагменты, что позволяет рационально использовать адресное пространство и обеспечивать уровни защиты;

§ блок буферного запоминающего устройства (микропроцессорная память) - позволяет хранить внутри самого микропроцессора наиболее часто используемые данные и команды, что уменьшает число обращений к внешней памяти;

§ блок плавающей арифметики (сопроцессор) - служит для выполнения операций над вещественными числами.

С остальными усройствами ПК, и в первую очередь с ОП, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами. Основных шин три: шина данных, адресная шина, шина команд.

Система команд процессора. В процессе работы процессор обслуживает данные, находящиеся в его регистрах, в поле ОП, а так же данные, находящиеся во внешних портах процессора. Часть данных он интерпретирует непосредственно как данные, часть данных – как адресные данные, а часть – как команды. Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить сам процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора. Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют одинаковые или близкие системы команд.

Процессоры с расширенной и сокращенной системой команд. Чем шире набор системных команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее формальная запись команды (в байтах), тем выше средняя продолжительность исполнения одной команды, измеренная в тактах работы процессора. Так, например, система команд процессоров Intel Pentium в настоящее время насчитывает более 1000 различных команд. Такие процессоры называются процессорами с расширенной системой команд - CISC-процессорами (CISC – Complex Instruction Set Computing).

В противоположность CISC-процессорам в середине 80-х гг. появились архитектуры RISC с сокращенной системой команд (RISC - Reduced Instruction Set Computing). При такой архитектуре количество команд намного меньше, но каждая из них выполняется намного быстрее. Т.о. программы, состоящие из простейших команд, выполняются этими процессорами много быстрее.

В результате конкуренции между двумя подходами к архитектуре процессоров сложилось следующее распределение сфер их применения:

· CISC-процессоры используют в универсальных вычислительных системах;

· RISC- процессоры используют в специализированных вычислительных системах или устройствах, ориентированных на выполнение единообразных операций.

Процессоры семейства Intel Pentium - CISC-процессоры.

Основные параметры процессоров: рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты, размер кэш-памяти.

Постепенно с эволюцией процессоров напряжение понижается (от 5 В до 3В и менее). Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать за 1 раз (за 1 такт). Начиная с процессора 80386, архитектура 32-разрядная.

Ø Шины– наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами ПК. Системная шина осуществляет обмен данными между процессором и памятью. На системной шине находятся разъемы, которые называются слоты, к которым подключаются платы, управляющие внешними устройствами (контролеры и адаптеры). Наличие разъемов на системной шине и возможность легко менять вышедшие из строя называются принципом открытой архитектуры.

Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.

Ø Слоты– разъёмы для подключения дополнительных устройств.

Ø Оперативная память (ОЗУ)RAM - read acces memory– набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда ПК включен. Из нее процессор и сопроцессор берут исходные данные и после обработки сюда же помещают результат.

ОЗУ – это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. С точки зрения физического принципа действия различают ячейки DRAM и SRAM.

Ячейки DRAM можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Это наиболее распространенный и экономически доступный вид памяти.

Недостатки:

ü запись данных происходит сравнительно медленно, т. к. при разряде и заряде конденсатора неизбежны переходные процессы.

ü заряды ячеек имеют свойство рассеиваться в пространстве, причем очень быстро.

Если оперативную память постоянно не «подзаряжать», то утрата данных происходит через несколько сотых долей секунды. Для борьбы с этим явлением происходит постоянная регенерация (освежение, подзарядка) ячеек ОЗУ. Она осуществляется несколько десятков раз в секунду, чем вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы.

Ячейки SRAM можно представить как электронные микроэлементы – триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (вкл/выкл), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и, соответственно, дороже.

Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается числом. В настоящее время в процессорах Intel Pentium и некоторых других принята 32-разрядная адресация, а это значит, что всего независимых адресов может быть 2³² . Таким обазом, в современных ПК возможна непосредственная адресация к полю памяти размером 2³² =4 294 967 296 (403 Гбайт).

Одна адресуемая ячейка содержит восемь двоичных ячеек, в которых можно сохранить 8 бит, т. е. 1 байт данных. Т. о., адрес одной ячейки памяти можно выразить четырьмя байтами.

ОЗУ в ПК размещается на стандартных панельках, называемых модулями. Модули ОЗУ вставляют в соответствующие разъёмы на материнской плате.

Конструктивно модули памяти имеют два исполнения – однорядные (SIMM) и двухрядные (DIMM-модули). На ПК с процессорами Intel Pentium однорядные модули можно применять только парами (количество разъёмов для их установки на материнской плате всегда четное), а DIMM – модули можно устанавливать по одному. Многие модели материнских плат имеют разъемы, как того, так и другого типа, но комбинировать на одной плате модули разных типов нельзя.

Основные характеристики модулей ОЗУ – объём памяти и время доступа.

SIMM –модули поставляются объёмами 4, 8, 16, 32 Мбайт, а DIMM – модули – 16, 32, 64, 128 Мбайт и более.

Время доступа – время считывания информации.

Время доступа к DIMM – модулям 7-10 нс, SIMM – модулям 50-70 нс.

Когда процессор обращается к оперативной памяти, он периодически останавливается, ожидая пока микросхемы памяти смогут принять и сохранить данные. Эти перерывы называются «состояние ожидания».

Информационная емкость (в Кб) и время доступа к ОП (в наносекундах) обычно указываются на корпусах микросхем.

Логическая организация памяти:

1) Базовая (основная, стандартная) память(conventional memory) - первые 640 Кб оперативной памяти - используется операционной системой и прикладными программами;

2)область верхней памяти (upper memory area – UMA) до 1 Мбайта: первые 128 Кб расположены сразу после основной памяти и называются видеопамятью. Предназначены для использования видеоадаптерами; следующие 128 Кб отведены для программ BIOS адаптеров; последние 128 КБ – для системной BIOS, где хранятся программы самотестирования и загрузчик ОС.

3) область старшей памяти(high memory area – HMA) – участок выше 1 Мбайта расширенной памяти. Используется для загрузки драйверов устройств резидентных программ, что позволяет освободить часть основной памяти. В эту область можно поместить ядро ОС, добавив в файл конфигурации config.sys строку dos=high

4)расширенная память (extented memory specification - XMS) - оперативная память свыше 1 Мб. При работе в DOS эта память служит для создания виртуальных дисков и буфера в памяти; организовать ее можно, загрузив соответствующий драйвер из файла config.sys. Наиболее распространен драйвер himem.sys (gemm.sys).

5) дополнительная память (expanded memory) – устаревшая.

Когда необходим быстрый доступ к оперативной памяти, системная плата снабжается дополнительной сверх оперативной памятью (КЭШ). В КЭШ-памяти хранятся наиболее часто используемые участки оперативной памяти (микросхемы SRAM). Время доступа к КЭШ-памяти намного меньше, чем к обычной. Микропроцессор ищет нужные данные сначала в кэш-памяти, поэтому время доступа к памяти уменьшается. Размер 128 Кбайта.

Ø Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – набор микросхем, предназначенных для длительного хранения данных, в том числе и когда ПК выключен. В ПЗУ данные «зашиты», так как их записывают в ПЗУ на этапе изготовления микросхемы. ПЗУ служит для размещения в ней данных об аппаратных особенностях персонального компьютера и базовой системы ввода-вывода операционной системы BIOS. С ПЗУ информация может только считываться, поэтому она называется ROM (read only memory). BIOS является неизменяемой частью ПК. Она может рассматриваться с одной стороны как компонент аппаратной части ПК, с другой стороны как компонент любой операционной системы. Назначение BIOS: управление стандартными внешними (периферийными) устройствами: дисплеем, клавиатурой, дисководами, принтером, таймером. Вспомогательные функции BIOS реализуются при включении ПК на этапе загрузки. (подробнее см. далее «Модульная структура MS DOS»)

Ø Энергозависимая память CMOS. Работа стандартных устройств обслуживается программами, входящими в BIOS, но такими средствами нельзя обеспечить работу со всеми возможными устройствами. Так, например, изготовители BIOS абсолютно ничего не знают о параметрах наших жестких и гибких дисков, им неизвестны ни состав, ни свойства произвольной вычислительной системы. Для того чтобы начать работу с другим оборудованием, программы, входящие в состав BIOS, должны знать, где можно найти нужные параметры. По очевидным причинам их нельзя хранить в ни ОЗУ, ни ПЗУ.

Специально для этого на материнской плате есть микросхема «Энергозависимой памяти», по технологии изготовления, называемая CMOS. От ОЗУ она отличается тем, что ее содержание не стир-ся во время выключения ПК, а от ПЗУ – тем, что данные можно заносить и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы.

Эта микросхема постоянно подпитывается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. Заряда этой батарейки хватает на то, чтобы микросхема не теряла данные, даже если ПК не будут включать несколько лет. В микросхеме CMOS хранятся данные о гибких и жестких дисках, о процессоре, о некоторых других устройствах материнской платы. Тот, факт, что ПК четко отслеживает время и календарь (даже в выключенном состоянии) тоже связан с тем, что показания системных часов постоянно хранятся (и изменяются) в CMOS.

Ø Шинный формирователь - обеспечивает формирование передаваемых по шине потоков информации, управляет передачей сигналов по шине, синхронизирует процессы передачи информации.

Ø Генератор тактовой частоты - позволяет разделить время работы устройств на короткие фрагменты и синхронизировать их по тактовым импульсам (частота генерации тактовых импульсов определяет быстродействие компьютера).

Ø Контроллер прерываний -служит для приостановки выполнения операций и выдает запрос на прерывание работы процессора.

Прерывания – это процедура, которую компьютер вызывает для выполнения определенной задачи.

Прерывания бывают:

аппаратные - вырабатываются устройствами, требующими в данный момент внимания процессора (отказ питания-2, клавиатура-9, гибкий диск-14 и др.);

логические - формируются самим процессором, когда он встречает необычное условие или нестандартную ситуацию (прерывание 0 – при попытке деления на ноль, прерывание 1 – при пошаговом режиме работы МП, переполнение регистров, при работе отладчиков программ и др.);

программные - формируются при вызове одной программы из другой, причем механизм вызова автоматически генерирует адрес возврата, который будет использован вызываемой программой после завершения ее выполнения. Программные прерывания используются для вызова всех служебных функций

Бывают запросы на прерывания: маскированные (заблокированные программными средствами) и немаскированные (их очень мало: отказ питания, аппаратные ошибки памяти). Все прерывания имеют определенный приоритет. Наибольший приоритет у немаскированных прерываний.

Ø Программируемый внутренний таймер - встроенные электронные часы.

Ø Контроллер прямого доступа к памяти - осуществляет обмен информации напрямую между оперативной памятью и внешними устройствами.

Ø Звуковая карта. Она выполнена в виде дочерней и выполняет вычислительные операции, связанные с обработкой звука, речи, музыки. Основной параметр разрядность (32-64 разряда) для преобразования аналогового сигнала в цифровую форму. (Все устройства совместимы с Sound Blaster).

Ø Видеокарта. Видеоадаптер подключатся к материнсткой плате в виде дочерней платы. Имеются ускорители (аппаратное ускорение) для 3D, 2D - трехмерной и плоской графики.