Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Учебное пособие по курсу «Информатика». Ч.2. Учебное пособие
.pdf
2.2. Базовая конфигурация и структура компьютера
31
3-й: на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещает
на отдельном кристалле, несколько Мб.
2.2.3. Материнская плата ПК.
Микропроцессорный комплект (чипсет)
Связь между всеми собственными и подключаемыми устройствами
материнской платы выполняют ее шины и логические устройства, размещенные в микросхемах микропроцессорного комплекта (чипсета). Архитектура чипсета во многом влияет на производительность ПК.
В основном чипсеты (рис. 15) выпускаются на базе двух микросхем:
«северный мост» и «южный мост».
Рис. 15. Схема микропроцессорного комплекта
2. Структура компьютера
32
«Северный мост» – четырехпортовый контроллер (взаимосвязь че-
тырех устройств: процессора, оперативной памяти, порта AGP и шины PCI).
«Южный мост» – функциональный контроллер (выполняет функ-
ции моста ISA-PCI и контроллеров внешней памяти, клавиатуры, мыши,
шины USB и т. п.).
2.2.4. Материнская плата ПК. Основная память
Основная память (ОП) предназначена для хранения и обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство
(ОЗУ).
В ПЗУ может храниться неизменяемая (постоянная) программная и
справочная информация. ПЗУ доступно пользователю только в режиме
чтения, записать или изменить информацию в ПЗУ нельзя.
ОЗУ служит для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), которая непосредственно участвует в информационно-вычислительном процессе, выполняемом компьютером в настоящее время.
2.2.4.1. Оперативная память
Оперативная память (RAM – Random Access Memory) – это массив
кристаллических ячеек, способных хранить данные.
С точки зрения физического принципа действия различают:
динамическую память (Dynamic RAM - DRAM);
статическую память (Static RAM).
Ячейки динамической памяти (DRAM) можно представить в виде
микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках.
Это наиболее распространенный тип памяти.
Достоинства DRAM:
1) наиболее экономически доступный тип памяти.
Недостатки DRAM:
1) невысокое быстродействие (при заряде и разряде конденсаторов
неизбежны переходные процессы, т.е. запись данных происходит сравнительно медленно);
2.2. Базовая конфигурация и структура компьютера
33
2) необходимость регенерации ячеек ОП. Заряды ячеек имеют свой-
ство рассеиваться в пространстве, причем весьма быстро. Поэтому необходима постоянная регенерация (подзарядка) ячеек ОП, которая осуществляется несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный
расход ресурсов ВС.
Применение памяти DRAM: в качестве основной оперативной па-
мяти ПК.
Сегодня наиболее распространена синхронизированная DRAM –
SDRAM: DDR I, II, III, IV – Dual Data Rate SDRAM.
Ячейки статической памяти (SRAM) можно представить в виде
электронных микроэлементов – триггеров, которые состоят из нескольких
транзисторов.
В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен).
Достоинства SRAM:
1) статическая память обеспечивает более высокое быстродействие
по сравнению с DRAM.
Недостатки SRAM:
1) технологически статическая память сложнее и, соответственно,
дороже.
Применение памяти SRAM: в качестве вспомогательной памяти (так
называемой кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы процессора.
Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках (модулях). Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате.
Конструктивно модули памяти имеют два исполнения:
однорядные SIMM-модули (Single In-line Memory Module);
двухрядные DIMM-модули (Dual In-line Memory Module).
На компьютерах с процессорами Pentium однорядные модули можно
применять только парами (количество разъемов для их установки на материнской плате всегда четное), а DIММ-модули можно устанавливать по одному. Многие модели материнских плат имели разъемы как того, так и другого типа, но комбинировать на одной плате модули разных типов нельзя.
Модули памяти DDR выпускаются только в формфакторе DIMM.
2. Структура компьютера
34
Нужно отметить, что скорость обмена данными внутри процессора
в несколько раз выше, чем обмен с другими устройствами компьютера,
например, с ОЗУ. С целью снижения количества обращений к ОЗУ, внутри
процессора создают буферную область, которую называют кэш-память
или сверхоперативная память. Процессор сначала обращается в кэш-память за необходимыми данными и если их не находит, то обращается в
ОЗУ. Когда процессор получает данные из ОЗУ, он одновременно записывает их в кэш-память. Такие ситуации «удачного» обращения в кэш-память
называют попаданиями в кэш. Чем больше размер кэш-памяти, тем больше
попаданий. В связи с этим высокопроизводительные процессоры комплектуются повышенным объемом кэш-памяти.
Чаще всего кэш-память разделяется на несколько уровней. Для кэша
1-го уровня характерно размещение на кристалле процессора (объем составляет десятки Кбайт). Кэш 2-го уровня может располагаться на кристалле процессора или в том же узле, что и процессор, но на отдельном
кристалле. Кэш 1-го и 2-го уровня работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора.
Кэш 3-го уровня реализуется на быстродействующих микросхемах
типа SRAM и размещается недалеко от процессора в пределах материнской
платы. Объем такой памяти – несколько Мбайт, при этом кеш 3-го уровня
работает на частоте материнской платы [2].
2.2.4.2. Постоянное запоминающее устройство
Как правило, базовые программные средства непосредственно входят в состав базового оборудования и хранятся в специальных микросхемах, называемых постоянными запоминающими устройствами (ПЗУ –
Read Only Memory, ROM). Программы и данные записываются («прошиваются») в микросхемы ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены
в процессе эксплуатации.
В тех случаях, когда изменение базовых программных средств во
время эксплуатации является технически целесообразным, вместо микросхем ПЗУ применяют перепрограммируемые постоянные запоминающие
устройства (ППЗУ – Erasable and Programmable Read Only Memory,
EPROM). В этом случае изменение содержания ПЗУ можно выполнять как
непосредственно в составе вычислительной системы (такая технология
2.2. Базовая конфигурация и структура компьютера
35
называется флэш-технологией), так и вне ее, на специальных устройствах,
называемых программаторами.
Зачастую совокупность программ, которые хранятся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода BIOS (Basic Input Output System). Такие программы чаще всего необходимы для того, чтобы проверить состав
и работоспособность компьютерной системы, обеспечить взаимодействие
с внешними устройствами. Программы BIOS дают возможность нам
наблюдать на экране диалоговые сообщения, которые сопровождают запуск компьютера и позволяют вмешиваться в процесс запуска посредством
клавиатуры.
Клавиатура является стандартным устройством, обслуживанием которого могут заниматься программы, входящие в состав BIOS. Но такая ситуация характерна не для всех устройств, например, для изготовителей
BIOS закрыта информация о параметрах жесткого диска, о составе и свойствах определенной вычислительной системы. С целью взаимодействия с
другими устройствами, программам BIOS нужно знать, где найти необходимые параметры. Как очевидно, такую информацию нельзя хранить ни в
ОЗУ, ни в ПЗУ.
Специально для этих целей используют микросхему «энергонезависимой памяти» (технология изготовления CMOS), которая расположена на
материнской плате. Отличия энергонезависимой памяти от ОЗУ – ее содержимое не стирается во время выключения компьютера, а от ПЗУ – данные
в нее можно записывать и перезаписывать самостоятельно, в зависимости
от того, какое оборудование входит в состав системы. Такая микросхема
питается от небольшой батарейки, которая расположена на материнской
плате. Благодаря заряду батарейки микросхема не теряет данные, даже если
компьютер не включается в течение нескольких лет.
Микросхема энергонезависимой памяти CMOS хранит информацию
о дисках, процессоре и некоторых других устройствах, расположенных на
материнской плате. В CMOS хранятся и постоянно изменяются показания
системных часов. Именно поэтому компьютер даже в выключенном состоянии может отслеживать время и календарь.
Теперь мы подошли к решению проблемы, рассмотренной ранее.
Программы BIOS считывают из микросхемы CMOS информацию о составе
оборудования компьютера. После этого возможно обращение к жесткому
диску и передача управления программам, которые там записаны.
2. Структура компьютера
36
2.2.5. Жесткий диск (винчестер)
Жесткий диск (Hard Disc Drive), «винчестер» – основное устрой-
ство для долговременного хранения больших объемов данных и программ.
На самом деле это несколько соосных дисков, имеющих магнитное
покрытие и вращающихся с высокой скоростью. Винчестер имеет 2n поверхностей, где n – число отдельных дисков в группе.
SSD (solid-state drive) или твердотельный накопитель – компьютерное немеханическое запоминающее устройство на основе микросхем памяти (флеш-память).
Накопители SSD имеют меньший размер и вес по сравнению с другими технологиями. К недостаткам устройств SSD можно отнести снижение износостойкости и увеличение стоимости за гигабайт в несколько раз.
Рассмотрим процесс записи информации на диск. Над каждой поверхностью располагается головка, предназначенная для чтения-записи
данных. При высоких скоростях вращения дисков (от 5400 об/мин и
выше) в зазоре между головкой и поверхностью образуется аэродинамическая подушка, и головка парит над магнитной поверхностью. При изменении силы тока, протекающего через головку, происходит изменение
напряженности динамического магнитного поля в зазоре, что вызывает
изменения в стационарном магнитном поле ферромагнитных частиц, образующих покрытие диска.
Опишем механизм чтения. Намагниченные частицы покрытия, проносящиеся на высокой скорости вблизи головки, наводят в ней ЭДС самоиндукции. Электромагнитные сигналы, возникающие при этом, усиливаются и передаются на обработку.
2.2.6. Контроллеры (адаптеры)
Порты ввода-вывода внешних устройств через соответствующие
унифицированные разъемы (стыки) подключаются к системной шине непосредственно или через контроллеры (адаптеры).
Управление системной шиной осуществляется микропроцессором
либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему
- контроллер шины, формирующий основные сигналы управления.
Обмен информацией между внешними устройствами и системной
шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.
2.2. Базовая конфигурация и структура компьютера
37
2.2.6.1. Контроллер жесткого диска
Контроллер жесткого диска управляет работой жесткого диска. В
прошлом он представлял собой отдельную дочернюю плату, которую подключали к одному из свободных слотов материнской платы. В настоящее
время функции контроллеров дисков выполняют микросхемы, входящие в
микропроцессорный комплект (чипсет), хотя некоторые виды высокопроизводительных контроллеров жестких дисков по-прежнему поставляются
на отдельной плате.
Основные параметры винчестеров:
формфактор (диаметр магнитных дисков): 3,5” и 2,5”;
ёмкость (зависит от технологии изготовления, например, GMR –
Giant Magnetic Resistance): 250 Гб–5 Тб;
скорость вращения 5400–7200 оборотов в минуту.
2.2.6.2. Звуковая карта ПК
Звуковая карта компьютера выполняет вычислительные операции,
связанные с обработкой звука. На момент появления звуковые платы представляли собой дочерние платы, устанавливаемые в соответствующий слот
материнской платы. Сегодня они интегрированы в южный мост материнской платы.
Звук воспроизводится через внешние звуковые колонки, подключаемые к выходу звуковой карты. Специальный разъем позволяет отправить
звуковой сигнал на внешний усилитель.
Имеется также разъем для подключения микрофона, что позволяет
записывать речь или музыку и сохранять их на жестком диске для последующей обработки.
Основной параметр звуковой карты: разрядность (количество бит
для преобразования сигналов из аналоговой в цифровую форму и наоборот). Чем выше разрядность, тем выше качество звучания (меньше погрешность, связанная с оцифровкой).
2.2.6.3. Видеокарта (видеоадаптер)
Видеокарта – устройство, преобразующее графический образ, хранящийся как содержимое памяти ПК (или самого адаптера), в форму, пригодную для дальнейшего вывода на экран.
2. Структура компьютера
38
Сейчас под графическим адаптером понимают устройство с графи-
ческим процессором (графический ускоритель), который занимается формированием самого графического образа.
Современные видеокарты не ограничиваются простым выводом
изображения, они имеют встроенный графический процессор, который может производить дополнительную обработку, снимая эту задачу с центрального процессора (ЦП) компьютера.
Некоторые современные видеокарты (Nvidia и AMD (ATi) получают
изображение с помощью графического конвейера OpenGL и DirectX на аппаратном уровне.
В последнее время имеет место тенденция использовать вычислительные возможности графического процессора для решения неграфических задач.
Обычно видеокарта выполнена в виде печатной платы (плата расширения) и вставляется в разъём расширения, универсальный либо специализированный (AGP, PCI Express).
Также широко распространены и видеокарты, встроенные в материнскую плату:
в виде отдельного чипа;
в качестве части северного моста чипсета или ЦП.
Видеокарта совместно с монитором образует видеоподсистему ПК.
Параметры видеоподсистемы:
разрешение экрана (чем выше разрешение, тем больше информа-
ции можно отобразить на экране, но тем меньше размер каждой отдельной
точки и тем меньше видимый размер элементов изображения);
количество цветов.
Стандарты видеоадаптеров:
MDA – Monochrome Display Adapter (монохромный, 25 строк по
80 символов, каждый символ 9х14 пикселей, 720х350);
CGA – Color Graphic Adapter (4 цвета, 320х200 или 640х200);
EGA – Enhanced Graphic Adapter (16 цветов, 640х350);
VGA – Video Graphic Adapter (256 цветов, 640x480);
SVGA – Super VGA (до 16,7 миллионов цветов, 800х600, 1024×768,
1280×1024, 1600×1200);
WVGA – Wide Video Graphic Array (800х480, 848х480, 854х480).
2.2. Базовая конфигурация и структура компьютера
39
2.2.7. Генератор тактовых импульсов
Генератор тактовых импульсов (ГТИ) выдает последовательность
электрических импульсов.
Частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту ма-
шины.
Промежуток времени между соседними импульсами определяет
время одного такта работы машины или просто такт работы машины.
2.2.8. Источник питания и таймер
Источник питания – это блок, содержащий системы автономного и
сетевого энергопитания ПК.
Таймер – внутримашинные электронные часы, обеспечивающие
при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год,
месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания – аккумулятору и при отключении машины
от сети продолжает работать.
2.2.9. Дополнительные блоки компьютера
Математический сопроцессор широко используется для ускорен-
ного выполнения операций над двоичными числами, представленными в
формате с плавающей запятой, а также для вычисления некоторых трансцендентных, в том числе тригонометрических, функций;
Контроллер прямого доступа к памяти (КПДП) освобождает МП
от прямого управления накопителями на магнитных дисках, что существенно повышает быстродействие ПК.
КПДП позволяет обмениваться данными непосредственно между
внешними и основными запоминающими устройствами, минуя МП.
Прерывание – временный останов выполнения одной программы с
целью оперативного выполнения другой более приоритетной в настоящее
время программы.
Контроллер прерываний (КП) обслуживает процедуры прерыва-
ния, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет
уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в МП. После чего МП приостанавливает выполнение текущей программы и перехо-
Вопросы для самоконтроля
40
дит к выполнению специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило ВУ. После завершения программы обслуживания
восстанавливается выполнение прерванной программы.
Вопросы для самоконтроля
1. Дайте понятие архитектуры компьютера.
2. Дайте понятие структуры компьютера.
3. В чем основное различие между понятиями архитектуры и струк-
туры компьютера?
4. Сформулируйте принципы функционирования ЭВМ Фон-Неймана.
5. Что представляет собой классическая архитектура компьютера (ар-
хитектура Фон Неймана)?
6. В чем заключается принцип программного управления?
7. В чем заключается принцип однородности памяти?
8. В чем заключается принцип адресности?
9. В чем заключается «принцип открытой архитектуры»?
10. Перечислите основные блоки компьютера. Назначение основных
блоков компьютера.
11. Состав материнской платы. Микропроцессор.
12. Что представляет собой микропроцессор?
13. Основное назначение арифметико-логического устройства.
14. Состав материнской платы. Микропроцессорный комплект.
15. Состав материнской платы. Шины.
16. Назовите типы шин компьютера.
17. Структура микропроцессора.
18. Микропроцессорная память.
19. Внутренняя память компьютера. Основные виды, назначение.
20. Винчестер.
21. Видеокарта и звуковая карта компьютера.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]