1. Общая структура ПК

Структура компьютера - это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства - от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации. В основу архитектуры современного ПК положен магистрально-модульный принцип. Модульный принцип позволяет пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию К-ра и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией м-у устройствами. Магистраль включает в себя три многоразрядные шины, которые представляют собой многопроводные линии. К магистрали подключается процессор, оперативная память и ВУ, которые обмениваются информацией на машинном языке. По ШД передаются данные м-у различными устройствами. Разрядность ШД определяется разрядностью процессора, т.е. кол-вом двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно. Выбор устройства, или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по ШД, производит процессор. Каждое устройство или ячейка ОП имеет свой адрес. Адрес передается по ША, сигналы передаются в одном направлении – от процессора к ОЗУ и ВУ. По ШУ передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают, какую операцию – считывание или запись информации из памяти – нужно производить, синхронизуют обмен информацией м-у устройствами и т.д. Классическая схема – магистральный интерфейс. Магистральный интерфейс предусматривает: Шина данных Шина адреса Шина управления ОЗУ Внешние устройства Процессор Современную архитектуру компьютера определяют следующие принципы: 1) Принцип программного управления (программный режим). Обеспечивает автоматизацию процесса вычислений на ЭВМ. Согласно этому принципу, для решения каждой задачи составляется программа, которая определяет последовательность действий компьютера. Эффективность программного управления будет выше при решении задачи этой же программой много раз (хотя и с разными начальными данными). Достоинства: - простота; Недостатки: - необходимость вставки программы обработки ВУ в тело основной программы; - возможность задержки по обработке сигналов ВУ. 2) Принцип программы, сохраняемой в памяти. Согласно этому принципу, команды программы подаются, как и данные, в виде чисел и обрабатываются так же, как и числа, а сама программа перед выполнением загружается в оперативную память, что ускоряет процесс ее выполнения. ВУ (контроллер) анализирует появление аппаратного сигнала прерывания в шине управления (IQR – вектор прерывания). При появлении прерывания процессор прекращает выполнение текущей команды (по ее окончании), сохраняет состояние всех своих регистров в стеке и переходит на пп обработки прерываний. Закончив обработку, возвращается в основную программу, предварительно загрузив регистры из стека. Достоинства: - быстрота реакций на внешние события; - относительно простая логика обработки прерывания. Недостатки: - необходимость в соответствующих контроллерах. 3) Принцип произвольного доступа к памяти (прямой доступ к памяти). В соответствии с этим принципом, элементы программ и данных могут записываться в произвольное место оперативной памяти, что позволяет обратиться по любому заданному адресу (к конкретному участку памяти) без просмотра предыдущих. Предусматривает прямую связь м-у ОЗУ и ВУ, минуя процессор. Процессор на время работы режима ПДП с шинами не связан. При ПДП сигнал запроса ПДП отключает процессор от магистральных шин, переводя его в режим ожидания или обработки внутренних регистров. Контроллер ПДП сам устанавливает адрес ячейки памяти, куда заносится информация из ВУ, и выставляет сигналы управления ВУ и ОЗУ. Данные идут напрямую в ОЗУ. Это, как правило, блочная передача. Достоинства: - высокая скорость обмена; - распараллеливание работы процессора и обмена. Недостатки: - необходимость в соответствующих технических средствах.

3. Назначение и структура чипсета

Чипсет — набор микросхем, спроектированных для совместной работы с целью выполнения набора каких-либо функций. В компьютерах чипсет размещаемый на материнской плате и выполняет роль связующего компонента, обеспечивающего совместное функционирование подсистем памяти, центрального процессора (ЦП), ввода-вывода и других. Чипсеты встречаются и в других устройствах, например, в радиоблоках сотовых телефонов. Чаще всего чипсет современных материнских плат компьютеров состоит из двух основных микросхем (иногда объединяемых в один чип, т. н. системный контроллер-концентратор:

• Контроллер-концентратор памяти или северный мост — обеспечивает взаимодействие ЦП с памятью и видеокартой, использующей шину PCI Express (а в прошлом, шину AGP). Соединяется с ЦП высокоскоростной шиной (FSB, HyperTransport или QPI). В MCH некоторых чипсетах может интегрироваться графический процессор;

• Контроллер-концентратор ввода-вывода или южный мост— обеспечивает взаимодействие между ЦП и жестким диском, картами PCI, низкоскоростными интерфейсами PCI Express, интерфейсами IDE, SATA, USB и пр.

4. Назначение и организация ОЗУ

Три уровня ЗУ: 1) Сверхоперативные ЗУ (СОЗУ); 2) ОЗУ; 3) Внешние ЗУ. СОЗУ СОЗУ – это – РОН, конвейеры, кэш-память. СОЗУ работает на частоте процессора, или близкой к ней. Достоинства СОЗУ: - высокое быстродействие; - нет необходимости в регенерации (в восстановлении информации). Недостатки: - сложность изготовления; - высокое энергопотребление; - тепловыделение; ОЗУ Различают ОЗУ: - динамического типа; - статического типа; Различие заключается в элементной базе построения, а именно: Д ОЗУ строится на основе полевых транзисторов и в качестве информационного признака использует наличие/отсутствие заряда. Достоинства Д ОЗУ: - простота изготовления; - миниатюризация; - низкое энергопотребление; Недостатки Д ОЗУ: - необходимость регенерации; - медленная работа. С ОЗУ создается на основе биполярных транзисторов. Логическим признаком является открытый первый или второй транзистор. Различают: - асинхронные ОЗУ – ЗУ, которые управляются сигналами, имеющие произвольное время установления и снятия; - синхронные ОЗУ – в них все переключения происходят в моменты переднего фронта синхроимпульса. Оперативная память (Main memory), или память с произвольным доступом — это основное место хранения команд и данных текущих задач (программ) в персональных компьютерах. Часто для обозначения оперативной памяти используются термины "оперативное запоминающее устройство" (ОЗУ) или, в английском варианте — Random Access Memory (RAM). Для создания оперативной памяти применяются микросхемы, припаиваемые на сменные модули памяти, которые, в свою очередь, устанавливаются в разъемы на системной плате. ОЗУ — наиболее быстродействующая адресуемая память в компьютере, причем именно от скорости обмена данными между процессором и микросхемами оперативной памяти зависит производительность компьютера. Так как быстродействующие микросхемы очень дороги, то для ОЗУ персонального компьютера используются микросхемы динамической памяти (это те самые модули SIMM и DIMM, которые продаются в компьютерных магазинах), но у них есть особенность — примерно каждые 2 мс им требуется цикл регенерации (восстановления) записанных данных. Следует отметить, что наибольший недостаток микросхем ОЗУ заключается в том, что при выключении питания компьютера все данные, находящиеся в них, теряются. Емкость ОЗУ в персональном компьютере может достигать величины в 1 Гбайт и более (но в первых персональных компьютерах, например, даже 64 Кбайт памяти вызывали восторг у пользователей). Кэш-память (Cache Memory) или сверхоперативная память (СОЗУ) — это одна из разновидностей быстродействующей оперативной памяти, для которой используются дорогостоящие микросхемы статической памяти.Основное назначение кэш-памяти в компьютере — служить местом временного хранения обрабатываемых в текущий момент времени кодов программ и данных. То есть ее назначение служить буфером между различными устройствами для хранения и обработки информации, например, между процессором и ОЗУ, между механической частью винчестера и ОЗУ и т. д. В зависимости от назначения и типа процессора объем кэш-памяти может составлять величину, например 8 и 16 Кбайт, 128 и 256 Кбайт, а в ряде случаев достигает 2—3 Мбайт. Кроме того, кэшпамять делится на уровни и, соответственно, для каждого уровня кэшпамяти используются свои, весьма различные по конструкции и быстродействию микросхемы. Внутренний кэш процессора класса Pentium, он же первичный кэш, или кэш первого уровня (Level I Cache), находится на том же кристалле, что и процессор. Основное назначение этого кэша — хранение команд и данных, которые в текущий момент обрабатываются в процессоре. Главное отличие от всех остальных видов памяти у внутреннего кэша процессора в том, что доступ к ячейкам памяти происходит на тактовой частоте ядра процессора. Появление такого типа кэша было вызвано тем, что ядро процессора, начиная с 486, работает на частоте, которая превышает частоту внешней синхронизации. Заметим, что в старых процессорах внутреннего кэша не было, а термин "кэш-память" относился к микросхемам внешнего кэша. Кроме того, для кэша первого уровня у современных процессоров используют ассоциативную или наборно-ассоциативную память, в которой выбор данных из памяти происходит не по абсолютным адресам ячеек памяти, а по их содержимому, что значительно ускоряет работу системы процессор —кэш. Скорее всего, такой кэш можно сравнить с небольшой базой данных, которая обрабатывает запросы процессора (примерно как работает программа Microsoft Access). Вторичный кэш, или кэш второго уровня (Level 2 Cache) — это или внешний кэш, который устанавливается на системной плате, или кэш-память значительного объема, которая находится на том же кристалле, что и процессор. Возможен вариант как в процессоре Pentium II, где кэш второго уровня находится на отдельном кристалле внутри картриджа процессора. Так как кэш второго уровня имеет объем от 128 Кбайт до 1—4 Мбайт, то для удешевления изготовления процессора он может работать, например, на половинной частоте ядра процессора. Кроме того, организация ячеек памяти в нем может отличаться от принятой для оперативной памяти и пр. Кэш третьего уровня (Level 3 Cache) имеют некоторые процессоры, которые предназначены для серверных приложений. Внешний кэш, он же кэш второго уровня у современных процессоров, в старых компьютерах находится на системной плате и работает на частоте системной шины процессора, например, 33 или 66 МГц. В компьютерах с процессорами 386, 486 и первыми поколениями Pentium скорость работы кэша мало отличается от быстродействия микросхем оперативной памяти, а выигрыш в производительности получался за счет исключения простоя процессора в те моменты, когда микросхемы оперативной памяти выполняли циклы регенерации.

5. Системные интерфейсы ПК

Интерфейс - это аппаратное и программное обеспечение (элементы соединения и вспомогательные схемы управления, их физические, электрические и логические параметры), предназначенное для сопряжения систем или частей системы (программ или устройств). Под сопряжением подразумеваются следующие функции: • выдача и прием информации; • управление передачей данных; • согласование источника и приемника информации. В связи с понятием интерфейса рассматривают также понятие шина (магистраль) - это среда передачи сигналов, к которой может параллельно подключаться несколько компонентов вычислительной системы и через которую осуществляется обмен данными. Системный интерфейс — это конструктивная часть ЭВМ, предназначенная для взаимодействия ее устройств и обмена информацией между ними. Системные интерфейсы: - параллельные; - последовательные. Системные интерфейсы: ISA,PCI,AGP,PCI Express, ATA, SATA. ISA — 254mm-1,1дюйм – классический магистральный интерфейс. ISA XT имел 8 разрядную ШД, 20 разрядную ША, и все сигналы управления, 8 векторов прерываний, 4 канала прямого доступа. ША ШД не мультипликсерованные. Тактовая частота: 4.7МГ. ISA IT 16 разрядная ШД, и до 24 разрядов ША , 16 векторов прерывания, 7 каналов прямого доступа. Такт. частота: 8МГ. EISA 33 мг PCI (96г) Имеет мультиплексированную ША и ШД и ШУ. Два стандарта: 1)PCI 1.0 33мг 32 разряда ША и ШД 2)PCI 2.0 66мг 64 разряда ША и ШД Интерфейсы работают 3.5 и 5в с переключателем Для соединения шины PCI с другими шинами и между собой применяются спе¬циальные аппаратные средства—мосты PCI (PCIBridge). Главный мост (Host Bridge) используется для подключения PCI к системной шине (системной памяти и про-цессору), одноранговый мост (Peer-to-PeerBridge) — для соединения двух шин PCI. AGP немультиплексированные ША и ШД 66 мг не симметричность AGP (Accelerated Graphics Port - Ускоренный графический порт). Этот интерфейс предназначен исключительно для подключения видеоадаптеров. Шина AGP позволяет видеоадаптеру связываться с оперативной памятью непосредственно, разгружая тем самым системную шину. В оперативной памяти размещаются параметры трехмерных объектов, требующие быстрого доступа как со стороны процессора, так и со стороны видеоадаптера. Максимальная пропускная способность шины AGP в режиме четырехкратного умножения AGP/x4 - до 1066 Мбайт/с. Конструктивно выглядит как отдельный разъем на материнской плате. Никакие другие компоненты, кроме видеоадаптеров, к AGP подключить нельзя. PCI Express  Организует пакеты. Способ передачи информации по малому кол-ву проводов. Создан по радиальной схеме (одновременная работа). Использует дифференциальные каналы для помехозащищённости. Имеет двухстороннюю передачу данных. Логическая система Д==> (1)16 байт->8байт(125мгц)==>(2)8б->10бит код(250мгц)==>(3)II(параллель.)->- -(последователь.)(2.5ггц)==>Вых схемы дифференциального канала. Процесс преобразования параллельного кода в последовательный код PCI E: 32х разрядные коды сворачиваются в в два 16ти разрядных слова передаются в блок дальнейшей кодировки (1). В нем происходит сворачивание до 1 байта и передача на скорости 125 МГц. В блоке (2) вводится избыточность – 2 разряда. При этом количество комбинаций увеличивается до 1024, из которых выбираются 256 наиболее помехозащищенных. Эти 10ти битные комбинации поступают в блок (3) перевода в последовательный код. Далее последовательный код передается по дифференциалу на частоте 2,5 ГГц.\ ATA (IDE) – параллельный интерфейс 33МГц 66МГц Для подключения жёстких дисков с интерфейсом PATA обычно используется 40-проводный кабель (именуемый также шлейфом). Каждый шлейф обычно имеет два или три разъёма, один из которых подключается к разъёму контроллера на материнской плате (в более старых компьютерах этот контроллер размещался на отдельной плате расширения), а один или два других подключаются к дискам. В один момент времени шлейф P-ATA передаёт 16 бит данных. SATA – последовательный интерфейс. Большой объем кэш-памяти - 8 MB. SATA использует 7-контактный разъём вместо 40-контактного разъёма у PATA. SATA-кабель имеет меньшую площадь, за счёт чего уменьшается сопротивление воздуху, обдувающему комплектующие компьютера, упрощается разводка проводов внутри системного блока.

6. Переферийные интерфейсы ПК

Интерфейс - это аппаратное и программное обеспечение (элементы соединения и вспомогательные схемы управления, их физические, электрические и логические параметры), предназначенное для сопряжения систем или частей системы (программ или устройств). Под сопряжением подразумеваются следующие функции: • выдача и прием информации; • управление передачей данных; • согласование источника и приемника информации. В связи с понятием интерфейса рассматривают также понятие шина (магистраль) - это среда передачи сигналов, к которой может параллельно подключаться несколько компонентов вычислительной системы и через которую осуществляется обмен данными. Периферийный интерфейсы – интерфейсы, которые связывают ядро компьютера с периферийными устройствами. LPT – интерфейс  Параллельный интерфейс, разъем: 25 контактов, Такт. частота работы: 8 МГц, ШД: 8 бит (1 байт), шина двунаправленная (симплексная). Порт имеет внешнюю 8-битную шину данных, 5-битную шину сигналов состояния и 4-битную шину управляющих сигналов. Порт параллельного интерфейса был введен в IBM PC для подключения принтера (Line Printer означает “построчный принтер”).  COM – интерфейс  Интерфейс передачи информации между двумя устройствами на расстоянии до 30 метров. Информация передается по проводам с уровнями сигналов, отличающимися от стандартных 5 В, для обеспечения большей устойчивости к помехам. Асинхронная передача данных осуществляется с установленной скоростью при синхронизации уровнем сигнала стартового импульса. Последовательный порт RC232C. 25 контактный и 9 контактный. Скорость от 600бит до1.2кбит Длина не превышает 15м. Этот интерфейс асинхронный, радиальный. На приемной стороне схемы улавливают переход из 1 в 0. По нему сбрасывается схема выдачи синхросигнала. 1 импульс вырабатывается через период времени в половину битового пространства. Фиксация логического уровня происходит в момент выработки синхроимпульса. Интерфейс USB Последовательный интерфейс. Разъем имеет 4 контакта: 1.+5в 2.–данные 3.+данные 4.Земля Скорость – 10 Мб/сек. Стандарт 1.2 – 1Mb/сек; Стандарт 2.0 – 480 Mb/сек. Информация передается в виде пакетов с определенной адресацией. Физически интерфейс поддерживает структуру типа «звезда» / древовидная структура. Подключение возможно на 5 уровнях. До 127 подключенных устройств к корневому хабу. Логически интерфейс поддерживает связь точка точка. USB интерфейс имеет возможность горячего подключения. В момент подключения периферийных устройств происходит анализ всех портов USB. После обнаружения в устройство посылается служебный пакет с условным адресом с запросом информации от ПУ. ПУ отправляет свой пакет в корневой хаб.