5. Структурная схема персонального компьютера
Персональный компьютер – это изменяемая система и набор устройств, входящих в его состав, может быть различным. Однако существует так называемая базовая конфигурация устройств ПК. В нее входят системный блок, монитор, клавиатура и манипулятор ввода «мышь».
Главным в любом ПК является системный блок, в который входят:
Микропроцессор и сопроцессор.
Генератор тактовых импульсов.
Шины и контроллеры.
Постоянное запоминающее устройство.
Оперативное запоминающее устройство.
Накопитель на жестких магнитных дисках.
Накопитель на гибких магнитных дисках.
Накопитель на оптических дисках.
Микропроцессор – главный элемент ПК. Технически реализован в виде интегральной схемы. В его состав входят:
арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее операции над двоичными кодами;
устройство управления (УУ), координирующее работу устройств машины.
Наиболее известны два типа микропроцессоров: фирм Intel и Motorola.
Микропроцессор Intel – основа IBM-подобных компьютеров, Motorola – основа компьютеров Макинтош. В компьютерах типа IBM используются не только микропроцессоры фирмы Intel, но и совместимые с ними фирм: AMD, Cyrix и др.
Сопроцессор – расширитель процессора, обеспечивающей повышение производительности компьютера. По данным фирмы Intel он сокращает время выполнения операции на 80%. Производители сопроцессоров – фирмы Intel и Motorola.
Главное требование к процессору – производительность, определяющаяся количеством операций, выполняемых в единицу времени. Устройство, управляющее количеством тактов в секунду, называется генератором тактовых импульсов.
Процессор работает с тем тактом, который задает ему генератор. Каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов. Сложные команды могут занимать десятки и сотни тактов. Чем выше частота, которую задает генератор, тем быстрее работает процессор, тем выше производительность ПК. Частота измеряется в герцах (мегагерца, гигагерцах). Первые микропроцессоры работали с тактовой частотой в несколько мегагерц, современные – имеют частоту, измеряемую гигагерцами. Современные ПК имеют несколько генераторов тактовых импульсов.
Шины и контроллеры. Чтобы ПК мог работать, необходим обмен данными между оперативной памятью и внешними устройствами. Для этого между любым внешним устройством и оперативной памятью имеются два звена: контроллеры и шины.
Для каждого внешнего устройства ПК имеется электронная схема, которая им управляет – контроллер (адаптер). Все контроллеры взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через магистраль передачи данных – шину – многослойную плату с контактными разъемами. Контроллеры подключаются к ПК путем их вставки в разъемы. Тип шины, наряду с типом основного микропроцессора, определяет возможности и диапазон применяемости ПК.
Структурная организация ПК опирается на три принципа:
Модульность.
Магистральность.
Микропрограммируемость.
Модульная организация предполагает построение вычислительных машин на основе набора модулей (блоков). Модуль – это конструктивно, функционально и электрически законченное устройство, позволяющее самостоятельно или в совокупности с другими решать задачи определенного класса.
Магистральный принцип обеспечивает обмен информацией между модулями различного уровня с помощью магистралей. Применение магистрального принципа позволяет минимизировать число связей между блоками. Существуют следующие магистрали:
шины данных – осуществляют обмен данными между блоками ПК;
шины управления – производят передачу управляющих сигналов;
шины адресов – передают адреса команд.
Одно из основных различий ПК – организация системных шин, обеспечивающих связь между отдельными блоками и устройствами ПК. По этому признаку выделяют ПК:
с общей шиной (рис.2.4);
с многошинной структурой (рис.2.5).
Общая шина
Оперативная
память
Микропроцессор
Внешняя память
Устройства ввода
Устройства вывода
Рис. 2.4. ПК с общей шиной
Основная особенность организации архитектуры ПК с многошинной структурой в том, что для каждого способа обмена информации с периферийными устройствами используется отдельная группа шин.
Адресная шина
Микропроцессор
Память
Внешняя память
Устройства
ввода и вывода
Шина данных
Шина управления
Рис.2.5. Многошинная структура ПК
Современный ПК – не единое неразъемное устройство. В нем обеспечена возможность его сборки из независимо изготовленных частей (модулей). Этот принцип получил название открытой архитектуры. Открытость архитектуры обеспечивается структурой ПК, состоящей в следующем:
на основной (системной) электронной плате ПК размещены только блоки, осуществляющие непосредственно обработку информации.
схемы, управляющие всеми остальными устройствами: монитором, дисками, принтером и др., – реализованы на отдельных платах, которые вставляются в стандартные разъемы-слоты на системной плате.
Принцип открытой архитектуры дает следующее:
доступность сопряжения между элементами;
разработка отдельных устройств ПК независимыми производителями;
разработка ПО независимыми производителями;
конкуренция между производителями;
снижение стоимости ПК;
возможность самостоятельной комплектации ПК пользователем;
возможность постоянного обновления состава ПК.
Память ПК делится на:
постоянное запоминающее устройство;
оперативное запоминающее устройство;
внешнее запоминающее устройство.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – это микросхемы, в которых хранится информация (программы и данные), определяющая работу машины после включения питания. ПЗУ допускает только считывание информации. Эту информацию в ПЗУ записывает изготовитель, и пользователь не может ее изменить.
Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – обеспечивает восприятие и хранение информации. Из ОЗУ процессор берет программы и данные для обработки. В нее – записывает результаты. Содержащиеся в ОЗУ данные сохраняются, пока ПК включен, при выключении – стираются.
В ОЗУ для ускорения работы ПК выделяют участок памяти, выполненный на более быстродействующих микросхемах – кэш-память.
Из оперативной памяти данные поступают в специальные ячейки процессора, которые называют регистрами. Их отличие от ячеек памяти в том, что данные в них могут не только храниться, но и преобразовываться.
Внешнее запоминающее устройство используется для хранения большого объема информации. Есть съемные и несъемные запоминающие устройства:
жесткие диски (винчестеры),
гибкие диски (дискеты, лазерные компакт диски).
Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) – Hard Disk Drive (HDD) – несъемное запоминающее устройство, предназначенное для длительного хранения информации:
операционной системы;
трансляторов с языков программирования;
редакторов документов;
часто используемых пакетов прикладных программ и т.п.
Жесткие диски изготавливаются из алюминия, керамики или стекла и покрыты тонким слоем окиси хрома. Конструктивно накопитель на жестком диске содержит несколько дисков, жестко закрепленных на вращающемся валу. На каждой стороне диска имеется своя считывающая-записывающая головка. Для минимизации повреждения поверхности диски помещаются в герметический корпус.
Скорость работы диска характеризуется двумя показателями:
временем доступа к данным на диске;
скоростью чтения и записи данных.
Время доступа и скорость чтения-записи зависят от:
дисковода;
быстродействия контроллера диска;
быстродействия системной шины;
быстродействия основного микропроцессора.
Данные на винчестере запоминаются в виде намагниченных областей, записываемых на концентрических окружностях. Каждая из концентрических окружностей представляет собой дорожку.
Радиально поверхность диска делится на равные сегменты, называемые секторами. Группа соседних секторов образует кластер. Кластер – это единица хранения данных, служащая для адресации файлов.
Адрес файла – это номера кластеров, в которых расположен файл. Размер кластера:
на дискете – 1 сектор (512 байт);
на винчестере (FAT32) – 16 секторов (512*16=8192);
на винчестере (NTFS) – 8 секторов (512*8=4096).
При размере файла, меньше одного кластера, он занимает один кластер.
Жесткий диск можно разбить на несколько логических дисков с именами: С, D и т. д. Программа разметки жесткого диска проводит низкоуровневое форматирование жесткого диска (форматирование секторов на магнитной поверхности жесткого диска), определяет границы логических дисков и заносит в начальный сектор диска сведения о разметке.
Необходимость в разбиении жесткого диска на части может быть вызвана рядом причин:
обеспечение сохранности и защиты от вирусов программ и данных;
защита от записи логического диска;
одновременное использование нескольких операционных систем.
Накопители на оптических дисках делятся на:
CD-RW (Compact Disc ReWritable);
DVD-RW (Digital Versatile Disc);
Флэш-накопители с интерфейсом USB (Universal Serial Bus).
Накопители CD-RW позволяют производить не только чтение, но и запись на диск.
Накопители DVD-RW хранят объем данных, превышающий возможности компакт дисков. Уровень качества звука и изображения у них приближен к студийному.
Флэш-накопители с интерфейсом USB (Universal Serial Bus) – универсальный последовательный интерфейс передачи данных. Это один или несколько чипов флэш-памяти и контроллер USB в едином корпусе. Объединение технологий: Flash и USB, – решает проблему идеального физического накопителя информации, так как флэш-память самое малогабаритное устройство хранения информации, а USB-порт есть на каждом компьютере. Этот накопитель может хранить большие объемы данных, не требуя отдельного источника питания, достигая скорости передачи – 1 Мб/с.