2 Структура персонального компьютера

Рассмотрим архитектуру наиболее распространенного персонального компьютера – IBM PC. Под архитектурой ПК понимают структурную схему внутренней организации и взаимодействия основных функциональных модулей компьютера (центрального процессора, чипсетов, устройств системы памяти, контроллеров периферийных устройств и самих периферийных устройств).

ПЭВМ имеет модульную структуру (рисунок 1). Все модули связаны с центральным процессором и между собой посредством системной шины (системной магистрали). Компоненты, представленные на структурной схеме, имеют следующее назначение.

Рисунок 1 – Упрощенная структурная схема персонального компьютера

Системный блок является главным блоком в ПЭВМ. Он включает все основные составляющие персонального компьютера: системную плату, блок питания, накопители на дисках, системный динамик, разъемы для дополнительных устройств и платы расширения с контроллерами внешних устройств.

Важнейшим компонентом системного блока является системная (или материнская) плата. Расположенные на ней электронные модули (чипсеты), а также центральный процессор (микропроцессор), основная память (ОЗУ (RAM) и ПЗУ (ROM)) составляют базовый комплект электроники компьютера. Кроме этого на системной плате расположены контроллеры внешних (периферийных) устройств.

К системному блоку через разъемы, расположенные на его задней стенке, подсоединены все внешние устройства: монитор, клавиатура, мышь, принтер, сканер, звуковые колонки, модем и т. д. Состав, как внутренних устройств системного блока, так и внешних устройств существенно зависит от потребностей и возможностей пользователя. Поэтому в каждом конкретном случае он будет различным. Благодаря модульной структуре ПЭВМ, пользователь по своему желанию может изменять ее конфигурацию, подключая дополнительные периферийные устройства.

Рассмотрим более подробно основные компоненты компьютера.

Центральный процессор (микропроцессор)– это электронный модуль, выполняющий в компьютерной системе основную вычислительную работу. Он управляет взаимодействием между всеми блоками и системами компьютера, а также выполняет арифметические и логические операции над данными. Центральный процессор является ядром любой ПЭВМ.

Конструктивно центральный процессор, как правило, выполнен на одном кристалле (на одной СБИС). В состав микропроцессора входят:

1. Устройство управления (УУ): формирует и подает во все блоки машины в нуж­ные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие им­пульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выпол­няемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьюте­ра; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов.

2. Арифметико-логическое устройство (АЛУ): предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной ин­формацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор).

3. Микропроцессорная память (МПП): предназначена для кратковременного хра­нения, записи и выдачи информации непосредственно в ближайшие такты ра­боты машины, используемой в вычислениях; МПП строится на регистрах и ис­пользуется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Регистры — быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину один байт и более низкое быстродействие).

4. Интерфейсная система микропроцессора: предназначена для сопряжения и связи с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, бу­ферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной.

Порт ввода-вывода (I/O port) — аппаратура сопряжения, позволяющая подклю­чить к микропроцессору другое устройство ПК.

5. Генератор тактовых импульсов: формирует последовательность тактовых импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту компьютера. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного машинного такта. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, поскольку каждая операция в ЭВМ выполняется за определенное количество тактов.

Чипсет – так называется комплект микросхем, предназначенный для поддержки в компьютерной системе функциональных возможностей, предоставляемых процессором, оперативной памятью, КЭШ-памятью, дисковой и видеопамятью, а также прочими компонентами системы. Микросхемы чипсета генерируют большинство сигналов для системных и периферийных компонентов, преобразуют сигналы между шинами, позволяют процессору и оперативной памяти работать с постоянной производительностью. В состав нескольких микросхем, из которых состоят чипсеты, входят узлы, называемые "обрамлением центрального процессора". Это – таймер, контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти, контроллеры графической шины AGP, последовательного и параллельного портов и прочие устройства, поддерживающие системные процессы в ПЭВМ.

Основная память структурно объединяет оперативную память (ОЗУ) и постоянную память (ПЗУ). Оперативная память построена на БИС или СБИС и является энергозависимой: при отключении питания информация в ОЗУ теряется. В оперативной памяти хранятся исполняемые программы, исходные и промежуточные данные, а также результаты вычислений. Емкость ОЗУ измеряется в Мбайтах. В наиболее распространенных конфигурациях ПЭВМ емкость ОЗУ составляет 32 … 256 Мбайт и более. Постоянная память является энергонезависимой. Она используется для хранения неизменяемой программной и справочной информации (например, скэн-кодов клавиатуры и пр.). Программы, хранящиеся в ПЗУ, предназначены для постоянного использования центральным процессором.

Кроме основной памяти на системной плате ПК имеется ИС ПЗУ, хранящая код BIOS компьютера, BIOS-карты расширения, конфигурацию периферийных устройств и пр.

Контроллеры – устройства, предназначенные для управления внешними (периферийными) устройствами. Каждое внешнее устройство имеет свой контроллер. В ПЭВМ широко используются контроллеры, встроенные непосредственно на материнскую плату. Встроенными, например, являются контроллеры клавиатуры, накопителей на гибких и жестких магнитных (оптических) дисках, параллельного и последовательного портов. Внешние контроллеры реализуются на отдельных печатных платах, вставляемых внутрь системного блока. Они могут состоять из нескольких микросхем. Внешние контроллеры часто называют адаптерами внешних устройств.

Как видно из рисунка 1, все электронные элементы ПЭВМ взаимосвязаны друг с другом с помощью шин – совокупности линий связи и микросхем, осуществляющих передачу электрических сигналов определенного функционального назначения. Совокупность всех шин информационно-вычислительной системы называется системной шиной (системной магистралью).

По шинам передаются сигналы трех групп: адресные, управляющие и данные. Соответственно различают следующие шины:

шина данных. Предназначена для передачи данных между электронными модулями ПЭВМ;

шина адреса. Обеспечивает пересылку кодов адресной информации к ОЗУ или электронным модулям ПЭВМ для доступа к ячейкам памяти или к устройствам ввода-вывода;

шина управления. Включает линии, по которым передаются сигналы управления: обмена, запросы на прерывания, синхронизации, передачи управления и т. д.

Каждая шина характеризуется разрядностью, т. е. количеством линий, составляющих шину (количеством одновременно передаваемых по линиям шины битов информации). В архитектуре ПЭВМ чаще всего встречаются 16-, 32- и 64-разрядные шины.

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).

Все внешние устройства подключаются к системной шине единообразно: либо непосредственно, либо через контроллеры.

Управление системной шиной со стороны микропроцессора осуществляется либо непосредственно, либо через контроллер шины, формирующий основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.

Источник питания ПЭВМ предназначен для формирования напряжений постоянного тока, необходимых для работы внутренних устройств и узлов системного блока. Внешние устройства, как правило, имеют отдельные источники питания. Типовые значения напряжений, формируемых источником питания – +3,3 В, +(-)5 В,

+(-)12 В. В настольных компьютерах мощность блока питания обычно бывает от 150 до 400 ватт.

Системный динамик предназначен для выдачи звуковых сообщений (сигналов) в случае каких-либо сбоев в работе оборудования ПЭВМ или в случае некорректных действий пользователя. Он позволяет пользователю следить за работой ПЭВМ, вовремя обращать внимание на возникшие сбои в отдельных устройствах или на возникновение необычной ситуации при решении задачи на ПЭВМ.