Лекция "структурная схема пк. архитектурные особенности"

тема 1 вопрос 20 структурная схема пк. архитектурные особенности 1.2.4. Структурная схема и устройства ПК  Основным устройством ПК является материнская плата, которая определяет его конфигурацию. Все  устройства ПК подключаются к этой плате с помощью разъемов расположенных на этой плате.  Соединение всех устройств в единую систему обеспечивается с помощью системной магистрали (шины),  представляющей собой линии передачи данных, адресов и управления.  Ядро ПК образуют процессор (центральный микропроцессор) и основная память, состоящая из  оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) или перепрограммируемого  постоянного запоминающего устройства ППЗУ. ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения  данных. Подключение всех внешних устройств: клавиатуры, монитора, внешних ЗУ, мыши, принтера и т.д.  обеспечивается через контроллеры, адаптеры, карты. Контроллеры, адаптеры или карты имеют свой процессор и свою память, т.е. представляют собой  специализированный процессор. Микропроцессор  Центральный микропроцессор (небольшая микросхема, выполняющая все вычисления и обработку  информации) – это ядро ПК. В компьютерах типа IBM PC используются микропроцессоры фирмы Intel и  совместимые с ними микропроцессоры других фирм. Компоненты микропроцессора: •   АЛУ выполняет логические и арифметические операции •   Устройство управления управляет всеми устройствами ПК •   Регистры используются для хранения данных и адресов •   Схема управления шиной и портами – осуществляет подготовку устройств к обмену данными между  микропроцессором и портом ввода – вывода, а также управляет шиной адреса и управления. Основные характеристики процессора: •   Разрядность – число двоичных разрядов, одновременно обрабатываемых при выполнении одной  команды. Большинство современных процессоров – это 32 – разрядные процессоры, но выпускаются и 64 ­ разрядные процессоры. •   Тактовая частота – количество циклов работы устройства за единицу времени. Чем выше тактовая  частота, тем выше производительность. •   Наличие встроенного математического сопроцессора •   Наличие и размер Кэш­ памяти. Оперативная памятьОперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM) ­ область памяти, предназначенная для хранения  информации в течение одного сеанса работы с компьютером. Конструктивно ОЗУ выполнено в виде  интегральных микросхем. Из нее процессор считывает программы и исходные данные для обработки в свои регистры, в нее  записывает полученные результаты. Название “оперативная” эта память получила потому, что она  работает очень быстро, в результате процессору не приходится ждать при чтении или записи данных в  память. Однако быстродействие ОЗУ ниже быстродействия регистров процессора, поэтому перед выполнением  команд процессор переписывает данные из ОЗУ в регистры. По принципу действия различают  динамическую память и статическую. Ячейки динамической памяти представляют собой микроконденсаторы, которые накапливают заряд на  своих обкладках. Ячейки статической памяти представляют собой триггеры, которые могут находиться в  двух устойчивых состояниях.  Основные параметры, которые характеризуют ОЗУ – это емкость и время обращения к памяти. ОЗУ типа  DDR  SDRAM (синхронная память с двойной скорость передачи данных) считается наиболее  перспективной для ПК. Кэш­память Компьютеру необходимо обеспечить быстрый доступ к оперативной памяти, иначе микропроцессор будет  простаивать, и быстродействие компьютера уменьшится. Поэтому современные компьютеры оснащаются  Кэш­памятью или сверхоперативной памятью. При наличии Кэш­памяти данные из ОЗУ сначала переписываются  в нее, а затем в регистры процессора.  При повторном обращении к памяти сначала производится поиск нужных данных в Кэш­памяти и  необходимые данные из Кэш­памяти переносятся в регистры, поэтому повышается быстродействие.  Контроллеры Только та информация, которая хранится в ОЗУ, доступна процессору для обработки. Поэтому  необходимо, чтобы в его оперативной памяти находились программа и данные.  В ПК информация с внешних устройств (клавиатуры, жесткого диска и т.д.) пересылается в ОЗУ, а  информация (результаты выполнения программ) с ОЗУ также выводится на внешние устройства (монитор, жесткий диск, принтер и т.д.). Таким образом, в компьютере должен осуществляться обмен информацией (ввод­вывод) между  оперативной памятью и внешними устройствами. Устройства, которые осуществляют обмен информацией  между оперативной памятью и внешними устройствами называются контроллерами или адаптерами,  иногда картами. Контроллеры, адаптеры или карты имеют свой процессор и свою память, т.е.  представляют собой специализированный процессор. Контроллеры или адаптеры (схемы, управляющие внешними устройствами компьютера) находятся на  отдельных платах, которые вставляются в унифицированные разъемы (слоты) на материнской плате Системная магистраль Системная магистраль (шина) ­ это совокупность проводов и разъемов, обеспечивающих объединение  всех устройств ПК в единую систему и их взаимодействие. Для подключения контроллеров или адаптеров современные ПК снабжены такими слотами как PCI.  Слоты PCI – E  Express для подключения новых устройств к более скоростной шине данных. Слоты AGP  предназначены для подключения видеоадаптера Для подключения накопителей (жестких дисков и компакт­дисков) используются интерфейсы IDE иSCSI. Интерфейс – это совокупность средств соединения и связи устройств компьютера. Подключение периферийных устройств (принтеры, мышь, сканеры и т.д.) осуществляется через  специальные интерфейсы, которые называются портами. Порты устанавливаются на задней стенке  системного блока.  Слоты (разъемы) расширения конфигурации ПК предназначены для подключения дополнительных  устройств к основной шине данных компьютера. К основным платам расширения, предназначенным для  подключения к шине дополнительных устройств, относятся: •   Видеоадаптеры (видеокарты) •   Звуковые платы •   Внутренние модемы  •   Сетевые адаптеры (для подключения к локальной сети) •   SCSI ­ адаптеры Внешняя память. Классификация накопителей Для хранения программ и данных в ПК используются накопители различных типов. Накопители ­ это  устройства для записи и считывания информации с различных носителей информации. Различают  накопители со сменным и встроенным носителем. По типу носителя информации накопители разделяются на накопители на магнитных лентах и дисковые  накопители. К накопителям на магнитных лентах относятся стримеры и др. Более широкий класс  накопителей составляют дисковые накопители. По способу записи и чтения информации на носитель дисковые накопители разделяются на магнитные,  оптические и магнитооптические. К дисковым накопителям относятся: накопители на флоппи­дисках; накопители на несменных жестких дисках (винчестеры); накопители на сменных жестких дисках; накопители на магнитооптических дисках; накопители на оптических дисках (CD­R CD­RW CD­ROM) с однократной записью и  накопители на оптических DVD – дисках (DVD­R  DVD­RW   DVD­ROM и др.) Дополнительные устройства Периферийные устройства ­ это устройства, которые подключаются к контроллерам ПК и расширяют его  функциональные возможности  По назначению дополнительные устройства разделяются на: устройства ввода (трэкболлы, джойстики, световые перья, сканеры, цифровые камеры, диджитайзеры)  устройства вывода (плоттеры или графопостроители)  устройства хранения (стримеры, zip ­ накопители, магнитооптические накопители, накопители HiFD и др.) устройства обмена (модемы)  1.3. Структурная схема персонального компьютера В настоящее время основная работа по информационному обслуживанию управления ведется на  персональных ЭВМ, называемых также персональными компьютерами (ПК), программно и аппаратно  совместимыми с ПК фирмы “IBM”. Такие ПК обычно называют IBM PC совместимыми. При работе с  такими ПК используется английская терминология, поэтому представляется целесообразным дать ее  перевод на русский язык. • IBM (International Business Machines Corporation) – международная корпорация машин для бизнеса; • PC (Personel Computer) – персональный компьютер (ПК). Первые модели IBM PC появились в августе  1981 г. Сейчас эти ПК наиболее распространены во всем мире. В правоохранительных органах IBM PC­ совместимыми компьютерами оснащаются все структуры: от центральных аппаратов до отделов на  местах. На их базе создаются автоматизированные рабочие места сотрудников.IBM PC, как и все ЭВМ, включает в себя два основных компонента: оборудование, или аппаратную часть,  называемую hardware, и программы, или программное обеспечение, называемое software; к последнему  относятся операционные системы, трансляторы с алгоритмических языков (BASIC, PASCAL, СИ и т.д.),  различные прикладные программные системы. Основной операционной системой, используемой в IBM PC­ совместимых ПК, до середины 90­х гг. являлась MS DOS (Microsoft Disk Operating System) – дисковая  операционная система фирмы “Майкрософт”. В последнее время более широкое распространение на РС­совместимых компьютерах получили  операционные системы семейства Windows с графическим интерфейсом работы пользователя. Операционная система обеспечивает решение двух главных задач: • предоставление пользователям возможности общего управления компьютером; • поддержка работы всех программ, обеспечение их взаимодействия с аппаратурой. К hardware относятся следующие устройства: • CPU (Central Proceccing Unit) – центральное процессорное устройство (ЦПУ), выполненное на основе  микропроцессора фирмы Intel Corporation, называемое также Central processor – Центральный процессор  (ЦП); • ALU (Arithmetic Logical Unit) – арифметико­логическое устройство (АЛУ); • CU (Control Unit) – устройство управления (УУ); • Controller – контроллер (УУ подсистемами ПК); • ROM (Read Only Memory) – постоянное запоминающее устройство (ПЗУ); • устройства ввода­вывода: monitor – монитор (дисплей, экран); printer – принтер (печатающее устройство); keyboard – клавиатура. • MSD (Mass Storage Device) – устройство массового хранения (память на накопителях, внешнее  запоминающее устройство); • disk drive – дисковод (устройство для считывания и записи информации на магнитные диски); • hard disk drive, Winchester disk – накопитель на жестком магнитном диске (НМД), винчестерский диск  (винчестер); • floppy disk drive – накопитель на гибком магнитном диске (НГМД), на дискете, флоппи­диске. Большинство из перечисленных компонентов IBM PC объединены в системный блок (system unit). Основным блоком IBM PC является центральное процессорное устройство (CPU), состоящее из  арифметико­логического устройства (ALU) и устройства управления (CU): • ALU осуществляет с данными операции сложения, вычитания, умножения, деления, сравнения и т.д.; • CU устанавливает очередность выполнения операций, управляет потоками данных внутри и между  блоками IBM PC. Память ПК состоит из ОЗУ (RAM) и ПЗУ (ROM), а также памяти на накопителях (MSD) (рис. 1.8):? ROM реализован на микросхемах, информация с которых может только считываться, не изменяясь при  этом. ROM ПК содержит BIOS (basic input/output system) – базовую систему ввода/вывода, являющуюся  первым основным компонентом операционной системы MS DOS. BIOS выполняет следующие функции: • устанавливает, какие устройства подключены к ПК, т.е. выясняет конфигурацию системы; • организует взаимосвязь между устройствами; • определяет местоположение загрузочной части операционной системы и передает ей управление. ? RAM состоит из микросхем, которые временно хранят информацию. При отключении питания  компьютера информация из RAM пропадает. В MS DOS RAM делится на категории: • базовую память – объемом 640 Кбайт, доступную всем программам, работающим под управлением MS  DOS; • наращенную память – за пределами 1 Мбайт, для использования которой нужны особые программные  средства в MS DOS или другие ОС (например, OS/2); • расширенную память – выход в нее осуществляется из верхней области памяти (от 640 Кбайт до 1  Мбайт). Сигналы и данные между блоками ПК объединяются в потоки и передаются по шинам. В IBM PC –  совместимых ПК имеются три стандартные шины: • шина данных, по которой передаются собственно данные (“что передавать”); • шина адреса, по которой передаются адреса данных (“куда и откуда передавать”); • шина управления, по которой передаются команды управления данными (“как передавать”).   Таблица 1.1. Логическая структура основной памяти   Основная память (Base Memory) Расширенная память (ЕМА) Стандартная память Верхняя память (UMB) Высокая память (НМА) 640 Кбайт 384 Кбайт 64 Кбайт Всего памяти 1024 Кбайт   Большинство устройств ввода­вывода IBM PC содержат устройства сопряжения сигналов и данных между блоками и собственные CU, называемые адаптерами и контроллерами, а также собственную память для  хранения данных при обмене (такую память имеют, например, монитор и принтер). Дисководы НГМД считывают и записывают информацию на дискеты. До последнего времени  использовались дискеты двух типов: диаметрами 5,25 и 3,5 дюйма (1 дюйм = 2,54 см). На дискетах обычно указывается следующая маркировка: • DS,2S (Double Side) – двусторонние; • DD,2D (Double Density) – двойной плотности; • HD (High Density) – высокой плотности. Перед записью информации на дискету она должна быть отформатирована. Максимальный объем  информации на дискетах двух указанных выше типов при различном форматировании приведен в табл. 1.2.   Возможность использования дисководов при работе с дискетами различных типов Таблица 1.2.   5,25" DD 5,25" HD 3,5" DD 3,5" HD 5,25" DD 5,25" HD3,5" DD3,5" HD 1200 1440? Устройства памяти на дисковых накопителях – основные устройства ПК для долговременного  хранения больших объемов данных и программ. К ним относятся накопители на жестких магнитных  дисках (НЖМД), накопители на основе компакт­дисков (CD­ROM), накопители на магнитооптических  дисках (НМОД). Основными параметрами устройств памяти на накопителях являются емкость и производительность.  Емкость определяется физическими принципами чтения/записи данных на носители и зависит от  технологии их изготовления. Производительность дисковых накопителей напрямую зависит от таких  параметров, как среднее время доступа к данным (определяется временем поиска сектора данных на  диске и скоростью вращения диска) и скорость передачи данных (определяется в первую очередь  характеристиками интерфейса контроллера накопителя). Характеристики основных дисковых накопителей приведены в табл. 1.3.     Характеристики дисковых накопителей Тип накопителяЕмкость, МбайтВремя доступа, мс Скорость передачи*, Кбайт/с Вид доступа** Таблица 1.3. CD­ROM Бернулли CD­WORM 1,2; 1,44 250­8000 250­1500 100­1300 20­230 120­1000 4000­16000 65­100 8­20 15­300 15­150 20 15­150 150 500­5000 150­1500 300­2000 500­2000 150­1500 Ч/З Ч/З Ч Ч/З Ч/З Ч/З*** Ч * Средние скорости передачи в режимах “чтение/запись”. ** Ч – чтение; 3 – запись. *** Запись однократная.   Важнейший принцип построения IBM PC­совместимых ПК – открытая архитектура – означает  модульный принцип построения и возможность замены блоков на новые по мере развития. В IBM PC  имеются специальные разъемы расширения для подключения дополнительных устройств, таких как  дополнительная память, сопроцессор, джойстик (координатная ручка), мышь (устройство ввода  координат), плоттер (графопостроитель), сканер (устройство ввода изображений), стример (запоминающее устройство на магнитной ленте), модем (устройство для подключения к телефонной линии связи и обмена  информацией с другими компьютерами). При разработке hardware и software для IBM PC­совместимых ПК соблюдается принцип  совместимости “сверху­вниз”, т.е. улучшенные версии подсистем должны содержать все возможности  старых версий. Например, программы, разработанные на старых версиях IBM PC, должны работать на  новых моделях. Принципы, заложенные в основу построения IBM PC, привели к созданию семейства IBM­совместимых  ПК, которое называется “клоном” IBM. Первая модель этого семейства появилась в 1982 г. и называлась  IBM PCjr. Родословное дерево PC представлено на рис. 1.9.     Микропроцессор (МП) конструктивно представляет собой кристалл кремния, в котором в результате  технологического процесса создана электронная схема. Количество электронных компонентов  (транзисторов) в этой схеме: от десятков тысяч до нескольких миллионов. Кристалл помещен в  пластиковый корпус, а выводы выходят наружу, как у типичной микросхемы широкого применения.Стоимость компьютера в значительной степени определяется стоимостью МП, однако себестоимость  производства одного экземпляра очень мала. Основная доля затрат приходится на разработку технологии  производства. Основные характеристики микропроцессора: • максимальная тактовая частота; • разрядность; • тип архитектуры. ? Тактовая частота. Вычислительный процесс представляет собой последовательность элементарных  действий, выполнение которых синхронизируется тактовым генератором. Превышение тактовой частоты  выше некоторого предела может привести к срыву вычислений или перегреву МП. Таким образом,  максимальная тактовая частота определяет быстродействие процессора (но она не равна быстродействию  МП и тем более быстродействию компьютера). ? Разрядность процессора. Этим термином обозначается максимальное количество разрядов двоичного  кода, которое может вырабатываться и передаваться одновременно. Разрядность определяется тремя параметрами: m/n/k: • т – разрядность внутренних регистров, т.е. количество разрядов, с помощью которых обмениваются  информацией внутренние устройства МП; • n – разрядность шины данных, которая представляет собой часть системной шины, показывает  количество разрядов, через которые МП обменивается данными с различными устройствами; • k – разрядность шины адреса, определяет объем доступной для МП части ОП. Основные типы и характеристики микропроцессоров фирмы “Intel”, являющейся лидером по  производству микропроцессоров для IBM PC­совместимых ПК, приведены в табл. 1.4.     Таблица 1.4. Тип МПМарка ПК Максимальная тактовая частота, МГц Максимальный объем ОЗУ, МбайтГод создания Типы и характеристики МП (Intel) 1 1 16 4000 4000 4000 4000 4000 4000 1976 1977 1982 1985 1989 1993 1998 2000 2001 4,77 10 10­33 33 33­100 66­150 200­400 500­1000 1,5­2000 Pentium II Pentium III Pentium IV Pentium III Pentium IV   ? Тип архитектуры МП. Микропроцессор представляет собой довольно сложное электронное  устройство, в котором отдельные части связаны информационными каналами. Часть этих каналов  фиксирована при создании МП, другая часть может изменяться при программировании – в целом это  образует архитектуру МП. Более широкое представление об архитектуре МП – организация МП с точки зрения пользователя. Она  включает в себя пользовательские возможности программирования, а именно: состав регистров, систему  команд, способы адресации, организацию памяти, средства ввода­вывода и типы обрабатываемых данных. К наиболее важным аспектам архитектуры относятся: • система команд и способы адресации; • возможность выполнения тех или иных команд во времени; • наличие дополнительных узлов и устройств в составе МП (например, интегрированной кэш­памяти,  устройства для работы с числами с плавающей точкой – сопроцессора математики); • режим работы. Другие критерии классификации МП.? По системе команд. CISC (complex information system command, сложная система команд), RISC  (reduced information system command, сокращенная система команд). При использовании первых число  встроенных в МП команд очень велико, например для 8086 и 8088 оно составляет 134, а для МП Pentium – 240. Число встроенных в CISC МП команд увеличивается за счет добавления команд обработки графики и звука. Сложные команды выполняются за несколько тактов, вырабатываемых тактовым генератором, так  же как и набор простых команд. При использовании RISK МП количество встроенных команд невелико,  каждая команда выполняется за один или два такта. Сложные команды программируются на машинном  языке. В целом быстродействие МП, при прочих одинаковых характеристиках, увеличивается. ? По универсальности. Универсальные МП выполняют все действия, в то время как  специализированные предназначены для выполнения только определенного класса задач, при этом их  быстродействие намного превышает быстродействие универсальных МП. Очень часто используют  математические процессоры, которые могут дополнять соответствующие универсальные и поэтому  называются сопроцессорами: • 8088­8087; • 80286­80287. В МП фирмы “Intel”, начиная с 80486, математические сопроцессоры встраиваются в один блок с  центральным процессором. Очень важную роль в составе ПК играет видеоподсистема, состоящая из монитора и видеокарты. В  настоящее время большинство функций построения изображения в ПК выполняет отдельный блок,  получивший название видеоадаптер. Аппаратно чаще всего он бывает выполнен в виде отдельной платы,  вставляемой в разъем расширения материнской платы. Основными параметрами видеоподсистемы являются: • разрешающая способность – количество точек на экране монитора; • цветовое разрешение – количество цветов, которое может иметь отдельная точка; • частота развертки – скорость обновления изображения экрана. Графические адаптеры (видеоадаптеры), которые используются в ПК, бывают следующих типов: • MDA – монохромный адаптер, работает в текстовом режиме, 25 строк по 80 символов в строке, с  разрешением 720 х 350 точек, с двумя градациями яркости (черный – белый); • EGA (Enhanced Graphics Adapter) – улучшенный графический адаптер, работающий в режимах: 1)  текстовом (25 или 43 строки на экране по 80 символов в строке, 16 цветов), 2) графическом (640 точек  по горизонтали, 350 по вертикали, 16 цветов и 64 оттенка каждого цвета); • VGA (Video Graphics Array) – видеографическая матрица, графический режим 640 х 480 точек, 16  цветов, 4096 оттенков или 320 х 200 точек, 256 цветов; • SVGA (Super VGA) – до 1280 х 1024 точек при 16 Мбайт цветов и выше.