5.2 Архитектура персонального компьютера

• Персональный компьютер (ПК) — это настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения.

Структуру самого распространенного в настоящее время IBM PC-подобного компьютера составляют (рис. 33):

– микропроцессор;

– генератор тактовых импульсов;

– системная шина;

– основная пмять;

– внешняя память;

– источник питания;

– таймер;

– и внешние устройства.

Рис. 33 Структурная схема персонального компьютера

• Микропроцессор является центральным блоком ПК, предназначенным для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций.

У центрального процессора два основных предназначения: координирование всех операций компьютера и выполнение арифметических и логических опреаций над введенными данными. Руководствуясь инструкциями, выполняемой в настоящий момент компьтерной программы, микропроцессор решает, какие операции и в каком порядке выполнять, обеспечивая выполнение каждого действия соответствующими последовательностями сигналов.

При выполнении программы, содержащейся в основной памяти, микропроцессор последовательно считывает каждый оператор этой программы, определяет предписание этого оператора, осуществляет выборку потребных данных и формирует последовательность управляющих сигналов для соответствующей обработки этих данных.

В состав микропроцессора входят:

1. Устройство управления (УУ) — на основе опорной последовательности импульсов от генератора тактовых импульсов формирует и подает во все блоки компьютера в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), а также формирует адреса ячеек памяти в ходе выполняемой операции и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ.

2. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) — выполняет все арифметические и логические операции над числовой и символьной информацией.

3. Микропроцессорная память (МПП) — обеспечивает высокое быстродействие ЭВМ и служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины.

4. Интерфейсная система микропроцессора — реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК.

• Генератор тактовых импульсов вырабатывает тактовые импульсы, посредством которых обеспечивается синхронная работа всех устройств компьютера.

Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик ПК и во многом определяет скорость его работы.

• Системная шина — это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Системная шина включает:

– кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;

– кодовую шину адреса (КША), включающую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;

– кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки ПК;

– шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

– между микропроцессором и основной памятью;

– между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

– между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

• Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими устройствами ПК.

Основная память содержит два вида запоминающих устройств: ПЗУ и ОЗУ. ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации (изменить информацию в ПЗУ нельзя). ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени.

• Внешняя память используется для долговременного хранения больших объемов любой информации (в том числе и программного обеспечения компьютера), которая может когда-либо потребоваться для решения задач.

Наиболее внешними запоминающими устройствами (ВЗУ) являются накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках. Используются также запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (стриммеры), накопители на магнито-оптических дисках (МО), компакт–дисках (CD-ROM) DVD-дисках (DVD-ROM) и др.

• Источник питания —это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.

• Таймер — это внутренние электронные часы с автономным питанием.

• Внешние устройства (ВУ) обеспечивают взаимодействие ЭВМ с внешней средой: пользователями, объектами управления и другими ЭВМ.

По назначению можно выделить следующие виды ВУ:

– ВЗУ или внешняя память ПК (см. выше);

– диалоговые средства пользователя;

– устройства ввода данных;

– устройства вывода данных;

– средства связи и коммуникации.

Диалоговые средства пользователя включают в свой состав видеомониторы (дисплеи), пультовые пишущие машинки (принтеры с клавиатурой) и устройства речевого ввода-вывода данных.

К устройствам ввода информации относятся:

– клавиатура — устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК;

– графические планшеты (диджитайзеры) — для ручного ввода графической информации в ПК;

– сканеры (читающие автоматы) — для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей;

– манипуляторы (устройства указания): джойстик, мышь, трекбол, световое перо и др. — для ввода графической информации на экран дисплея и в ПК;

– сенсорные экраны — для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК.

К устройствам вывода информации относятся:

– принтеры — печатающие устройства для регистрации информации на бумажный носитель;

– графопостроители (плоттеры) — для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель.

Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации и для подключения ПК к каналам связи, к другим ЭВМ и вычислительным сетям.

К системной шине и к микропроцессору ПК наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и некоторые дополнительные платы, расширяющие и улучшающие его функциональные возможности: математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.

Конструктивно элементами базовой (типовой) конфигурации персонального компьютера являются:

– системный блок (в нем хранятся внутренние устройства);

– монитор (для выдачи текстовой или графической информации)  — это главное устройство визуального представления данных;

– клавиатура (для ввода символов и команд) служит для ввода алфавитно-цифровых (знаковых) данных, а также команд управления и входит в состав базовой системы ввода-вывода (BIOS);

– манипуляторы (для ввода команд).

В состав системного блока входят: корпус, блок питания, системная (материнская) плата, которая является основной частью компьютера. На ней располагаются основные электронные элементы компьютера: системная и локальные шины, микропроцессор, оперативная память, дополнительные микросхемы.

Основным устройством вывода графических изображений в компьютере является монитор (дисплей). Работой дисплея управляет видеоконтроллер (видеокарта). Процесс получения изображения на экране представлен на рис. 34 а.

• Р ежим работы программы, в котором на экран выводится графическая информация, называется графическим режимом.

Монитор вычислительной системы является устройством для визуального отображения информации. Сигналы на монитор (числа, символы, графическая информация, сигналы синхронизации) формируются специальным устройством, называемым видеокартой. Монитор и видеокарта представляют собой пару, согласованная настройка которой обеспечивает оптимальную работу вычислительного комплекса.

Компьютер работает с информацией, хранящейся в его памяти в двоичном коде. Всякое изображение на экране — это отражение информации, хранящейся в памяти компьютера и получившей название видеоинформации. Вывод на экран происходит в результате передачи видеоинформации контроллеру монитора: информация записывается в видеопамять и сразу же воспроизводится на экране в результате работы дисплейного процессора, управляющего работой монитора. Таким образом, видеопамять является своеобразным буфером между ОЗУ и дисплеем. Смена картинки на экране является следствием изменения содержимого видеопамяти.

Для ввода изображения с экрана в компьютерную память используется обратный процесс (рис. 34 б). Сканер преобразует каждый элемент картинки экрана в двоичный код, который пересылается для хранения в память компьютера.

Существуют два режима работы отображения данных: текстовый и графический. В текстовом режиме AN (alphanumeric) экран представляет собой набор строк и столбцов, причем каждому отдельному знакоместу соответствует матрица пикселов. В графическом режиме можно управлять каждым отдельным пикселом экрана. Эта способность отображения позволила получать на экране образы различных геометрических фигур.

• Пиксел (Picture Element) — это минимально отображаемый элемент растра экрана монитора.

• Количество горизонтальных и вертикальных линий экрана, которые способен отобразить монитор, называется разрешением экрана (Resolution).

Чем больше пикселов на экране, тем выше его разрешающая способность. Имеется большое количество модификаций видеокарт, различающихся конструкцией, параметрами и стандартами изображения.

В современных ПК принят растровый способ формирования изображений: любая информация на экране представляет собой совокупность светящихся точек — пикселей (PIxEL — PIcture ELement — элемент растра). Каждый пиксель размещается в соответствии с координатами, определяющими его положение относительно левого верхнего угла экрана.

Наиболее важные электронные компоненты видеодисплея: контроллер (схема управления), электронно-лучевая трубка, программируемые порты ввода-вывода, матричное постоянное запоминающее устройство с таблицей знакогенератора и буферная видеопамять. Все схемы названных компонентов размещаются на одной печатной плате, которая называется дисплейным адаптером. Фирма IBM разработала и выпускает несколько вариантов плат дисплейного адаптера. В том числе, графический адаптер CGA (Color Grafics Adapter — цветной графический адаптер). Он позволяет формировать изображение из 160×100 пикселей. В более совершенных адаптерах EGA (Enchanced Graphics Adapter — улучшенный графический адаптер), VGA (Video Gate Array — видеографическая матрица) объем видеопамяти увеличен, что позволяет разместить на экране 640×480 пикселей и SVGA (Super Video Gate Array). Для формирования цветных изображений дисплей должен быть оснащен цветной электронно-лучевой трубкой. Для работы с конкретным адаптером разрабатывается специальная программа, называемая драйвером.

• Драйвер — это специальная программа управления техническим средством ПК.

П олученное на экране изображение можно считать с экрана и запомнить, а затем снова воспроизвести на экран. Его можно отпечатать после запуска программы, обеспечивающей эту возможность.

Многие графические процедуры и функции используют внутренний указатель текущей позиции на экране, который в отличие от текстового курсора невидим (в алфавитно-цифровом режиме на экране монитора находится мигающий курсор в точке появления очередного символа). Положение этого указателя, как и любые координаты на графическом экране, задается относительно левого верхнего угла, который имеет координаты 0,0. Горизонтальная координата увеличивается слева направо, а вертикальная — сверху вниз.