Вычислительные машины

Оглавление

Вычислительные машины 1

Тема 2. Основные сведения о ПК. Системная плата. Процессоры. 2

Лекция 4. Основные сведения о персональном компьютере 2

Лекция 5. Процессоры 9

Тема 3. Электронная память ПК. Шины расширения 16

Лекция 6. Электронная память ПК 16

Лекция 7.Шины расширения персонального компьютера 21

Тема 4. Каналы и интерфейсы ввода-вывода. Периферийное оборудование ЭВМ. 27

Лекция 8. Организация системы ввода/вывода ЭВМ 27

Рис.8.1 28

Лекция 9. Система внешних устройств ЭВМ (периферийное оборудование) 32

Тема 5. Внешние устройства ПК. Внешние интерфейсы ПК 37

Лекция 10. Внешние устройства ПК 37

Лекция 11. Внешние интерфейсы. 47

Тема 6. Программное обеспечение ЭВМ. Операционные системы 51

Лекция 12. Программное обеспечение ЭВМ 51

Тема 2. Основные сведения о ПК. Системная плата. Процессоры.

Лекция 4. Основные сведения о персональном компьютере

4.1. Состав персонального компьютера

Персональный компьютер (ПК) состоит из нескольких агрегатов (блоков), связанных соединительными кабелями. Номенклатура блоков может варьироваться, но в минимальный комплект поставки входят: системный блок, клавиатура, монитор, и, как правило, манипулятор. В числе дополнительных устройств могут быть: принтер, дополнительный накопитель и пр.

Монитор

Системный блок

Клавиатура

Рис. 4.1. Минимальный состав персонального компьютера

Рассмотрим устройство агрегатов персонального компьютера, включая и наиболее распространенные внешние устройства.

4.2. Системный блок

Системный блок стационарного ПК представляет собой прямоугольный каркас, и котором размещены все основные узлы компьютера: материнская плата, адаптеры, блок питания, 1-2 дисковода для гибких магнитных дисков (НГМД), дисковод на жестком магнитном диске (НЖМД), в просторечии называемый “винчестер”, динамик, органы управления (выключатель электропитания, кнопка общего сброса, переключатель тактовой частоты, индикаторы питания и режимов работы), иногда — дисковод оптических дисков и довольно часто — дисковод для компакт-дисков, С тыльной стороны системного блока видны штепсельные разъемы для подключения шнуров питания и кабелей связи с внешними (то есть устанавливаемыми вне системного блока) устройствами. Внутрь системного блока устанавливаются платы сопряжения устройств с центральным процессором (адаптеры, или контроллеры) и платы расширения, то есть электронные устройства, которые отсутствуют в первоначальной комплектации машины и приобретаются позже для увеличения ее мощности или расширения функциональных возможностей. Каркас накрывается крышкой или кожухом.

Ныне наиболее распространены три вида форм системного блока: “башня” (tower), “мини-башня” (mini-tower) и “плоский” (desktop). Габариты башни достаточно велики и позволяют разместить в каркасе большее число блоков и плат. Ее часто устанавливают на пол. Мини-башня отличается тем, что системный блок устанавливается на меньшую грань, так что материнская плата оказывается расположенной вертикально, а вставленные в нее платы — горизонтально. Плоский системный блок устанавливается на стол наибольшей гранью и служит подставкой для монитора; материнская плата расположена горизонтально, а вставленные в нее платы вертикально.

Материнская (системная) плата

Так называют большую печатную плату одного из стандартных габаритов, которая несет на себе главные компоненты компьютерной системы: центральный микропроцессор, оперативную память, микросхемы поддержки, центральную магистраль, или шину, контроллер шины и несколько разъемов-гнезд. Последние (часто их называют слотами, от английского slot — щель) служат для подключения материнской плате других плат (контроллеры, платы расширения и др.). Часть слотов в исходной комплектации ПК остаются свободными.

Платой расширения, или картой расширения, называют печатную плату с краевым разъемом, устанавливаемую в слот расширения. Карты расширения, привносящие в ПК какой либо дополнительный интерфейс, называют интерфейсными картами. Поскольку интерфейсная карта представляет собой “приспособление” для подключения какого-либо устройства, к ней применимо и название адаптер. К примеру, дисплейный адаптер служит для подключения дисплея монитора. Адаптер и интерфейсная карта практически синонимы

Кроме того, на материнской плате находятся миниатюрные переключатели, с помощью которых производится настройка электрической схемы платы.

На системной плате расположены также соединители, к которым с помощью специальных кабелей подключаются дополнительные устройства.

Практически все современные универсальные микро-ЭВМ отражают классическую неймановскую архитектуру, включающую следующие основные компоненты, представленные на примере ПК (рис. 3.1). Данная схема поможет понять внутреннюю организацию некоторого типового ПК; вместе c тем, ее элементы характерны для любой микро- и мини-ЭВМ, а также в значительной степени и для ЭВМ общего назначения. Так клавиатура и дисплей составляют консоль ЭВМ и являются наиболее типичными устройствами ввода и отображения информации, обеспечивая интерфейс пользователя с ЭВМ. Большинство современных ЭВМ в своем составе имеют в качестве внешней памяти (ВП) накопители на различного типа магнитных носителях (НМД, НГМД, НМЛ и др.). ВП содержит программы и данные, не помещающиеся в ОП и требующие длительного хранения. Для вывода и документирования данных и программ используются различного типа печатающие устройства (принтеры) и рисующие плоттеры, а для работы в системах телекоммуникации ЭВМ на основе модемов имеют возможность обмена информацией с удаленными телефонными абонентами (например, с телефаксами или в информационно-вычислительных сетях).

Рис. 4.2. Системная плата ПК

Системная плата ПК (рис.4.2) содержит следующие основные компоненты:

Тактовый генератор (ТК);

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);

Оперативную память (ОП);

Микропроцессор (МП) {и, возможно, сопроцессор (МП*)};

Контроллеры передачи данных, контроллеры ввода/вывода;

Порты ввода/вывода;

Шины управления, адресации и данных, образующих в совокупности общую шину системный интерфейс (СИ) ПК.

Главной частью системной платы является МП, управляющий работой всей системы узлов ПК и программой, описывающей алгоритм решаемой задачи. МП имеет сложную структуру, реализованную в виде системы логических схем; в качестве его основных компонент можно выделить арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ), систему прерываний (СПр), устройство управления общей шиной (УОШ) системным интерфейсом и специальные регистры.

УУ служит для управления работой всех узлов МП посредством выработки и передачи другим его компонентам управляющих и синхронизирующих сигналов; система синхронизации ПК базируется на кварцевом тактовом генераторе (ТГ). При включении ПК кварцевый ТГ, имеющий строго определенные размеры, начинает вибрировать с постоянной частотой, достигающей 100 Мгц и более. Каждое колебание ТГ генерирует импульс напряжения; эти регулярно повторяющиеся импульсы совместно с другими сигналами управляющих схем задают темп работы всех компонент системной платы и обеспечивают синхронное срабатывание различных ее электронных элементов. Для передачи синхро-и управляющих сигналов служит специальная шина управления (ШУ; рис). АЛУ предназначено для выполнения арифметических и логических операций над данными и адресами памяти, хранящихся в регистрах общего назначения и специальных. Регистром называют совокупность нескольких запоминающих элементов, запись в которые производится по общему управляющему сигналу; по существу это сверхоперативная память, работающая со скоростью процессора. Вся обрабатываемая и передаваемая информация передается по шине данных (ШД), связывающей все основные узлы системной платы, кроме ТГ (рис. 3.1). Система прерываний (СПр) представляет собой систему (в основе которой лежит специальный регистр, описывающий состояние МП), позволяющий прерывать работу МП практически в любой момент времени для немедленной обработки некоторого поступившего в данный момент запроса либо постановки его в очередь прерываний. После обработки прерывания СПр обеспечивает выполнение прерванного процесса обработки с точки, непосредственно следующей за точкой прерывания. Важную компоненту МП составляет устройство управления общей шиной системным интерфейсом (СИ), содержащей шины: управления, данных и адресации (рис.).

Назначение шины данных понятно из ее названия. Подключаемое к шине устройство обычно имеет свой буфер данных двунаправленный приемопередатчик, в качестве которого применяется определенная микросхема. Этот буфер открывается, когда на шине адреса присутствует адрес, относящийся к диапазону подключаемого устройства. "Дежурным" направлением передачи является направление от шины к устройству, а переключение в обратную строну производиться по сигналу шины управления. Таким образом, буфер имеет право передавать данные на шину только во время действия сигнала чтения, относящегося к зоне адресов данного устройства.

Для расширения возможностей и повышения функциональных характеристик МП может дополнительно поставляться специальный сопроцессор (МП*), как правило, служащий для расширения набора команд ведущего МП. Например, математические сопроцессоры IBM-совместимых ПК расширяют возможности МП для вычислений с плавающей точкой; сопроцессоры могут расширять функции МП для работы в локальных сетях ПК (LAN-процессоры) и т.д. В последнее время в качестве сопроцессоров при создании мультипроцессорных систем все чаще используют транспьютеры, представляющие собой МП специального типа. Особенностью транспьютеров является наличие быстрых коммуникационных каналов связи, каждый из которых может одновременно передавать по одной магистрали данные в МП, а другой из него. В составе команд транспьютеров имеются команды управления процессами, поддержки предложений языков программирования высокого уровня (Fortran, Pascal, C). Высокая производительность транспьютеров обусловлена высокой скоростью передачи операндов команд в АЛУ и их обработки в нем. Типичными примерами транспьютеров являются известные модели Т 414 и Т 800 фирмы INMOS. В настоящее время наиболее распространенными и используемыми для создания ПК различных моделей являются 32-битные МП фирмы Intel, Motorola, DEC и др.

ПЗУ содержит постоянную программу (сохраняемую даже при выключенном питании), которая служит для тестирования памяти, начальной загрузки и инициации его основных блоков, находящихся в оперативном (включенном) состоянии. Содержимое ПЗУ микропрограммным способом формируется фирмой-изготовителем ПК и несет черты его индивидуальности. Как правило, объем ПЗУ относительно невелик и составляет порядка (64-256) Кбайт. В случае специализации ПК в ПЗУ можно помещать часто используемое ПО.

ОП служит для оперативного хранения программ и данных, сохраняемым только на период работы ПК; объем ОП от 64 Кбайт до 64 Мбайт и выше; как правило, ОП имеет модульную структуру и может расширяться. Сама ОП входит в состав общей виртуальной памяти наряду с внешней памятью (ВП), однако она выделяется особыми функциями и спецификой доступа к ней:

ОП хранит не только данные, но и выполняемую программу;

МП имеет возможность прямого доступа к ОП, минуя систему ввода/вывода.

Логическая организация ОП определяется функционирующим на ПК системным ПО (СПО).

Кэш-память с малым временем доступа служит для временного хранения промежуточных результатов и содержимого наиболее часто используемых ячеек ОП и регистров МП. Объем Кэш-памяти для большинства моделей ПК составляет256 Кбайт.

Контроллер ввода/вывода является необязательным и обычно применяется в многопользовательских системах; он берет на себя управление некоторыми операциями по вводу/выводу, при его отсутствии исполняемыми самим МП.

Контроллеры внешних устройств служат для обеспечения прямой связи вторых с ОП, минуя МП (режим прямого доступа к ОП); как правило, они используются для устройств быстрого обмена данными с ОП (НГМД, НМД, дисплей и др.), а также для обеспечения работы в сетевом и групповом режимах.

Порты бывают входными, выходными и универсальными (ввод/вывод), а также последовательными и параллельными. Последовательный порт ведет побитный, а параллельный побайтный обмен информацией; поэтому принтер подключается к параллельному порту, а телефонная линия связи (через) модем к последовательному. Большинство современных ПК имеет один параллельный и два последовательных ввода/вывода. Информация, поступающая через порт, направляется сначала в МП, а затем в ОП и наоборот. Так как клавиатура, дисплей и мышь имеют свои выделенные участки в ОП, то эти устройства связаны с системной платой контроллерами, хотя клавиатура и мышь являются медленными устройствами ввода (однако они обеспечивают непосредственный интерфейс с ПК).

Наконец все узлы системной платы (рис. 4.2) связаны системным интерфейсом (СИ) типа “общая шина”, организация которой зависит от модели и типа ПК. Он представляет систему линий передачи адресов, данных и управляющих сигналов различного типа и назначения. В настоящее время большинство стандартных СИ для ПК оптимизируется под конкретные типы МП и совершенствуется в направлении увеличения разрядности линий адреса и передачи данных, линий запросов на прерывание и контроллеров, а также функциональных и диагностических возможностей. Наиболее распространенными стандартами СИ для ПК являются Multibus (Intel), VMEbus (Motorola), EISA (Compag) и др.

Производительность ПК определяется:

Производительностью МП;

Наличием состояний ожидания МП при обращении к ОП и ПУ;

Быстродействием и типом ОЗУ;

Быстродействием ПУ;

Эффективностью ОС.