1.6 Архітектура сучасних персональних комп’ютерів

Будь-який сучасний IBM PC - сумісний персональний комп’ютер складається з системного блока, монітора (дисплея) і клавіатури (мал.1.6).

Такий склад пристроїв персонального комп’ютера прийнято називати “стандартна конфігурація” ПК [1,2].

Мал.1.2 Конфігурація ПЕОМ

Якщо до складу ПК входять інші пристрої, такі як, наприклад, принтери, модеми, сканери, миші, трекболи, плоттери, джойстики тощо, то таку конфігурацію ПК можна назвати “розширеною”.

Дамо стислу характеристику основних складових частин ПК.

1.6.1 Системний блок

Системний блок ПК містить в собі системну плату з основними електронними компонентами комп’ютера, приводи різноманітних накопичувачів, інші плати, блок живлення комп’ютера тощо.

На системній платі комп’ютера розташовані основні електронні компоненти комп’ютера: мікропроцесор (МП), оперативна пам’ять (ОП), BIOS (базова система введення-виведення), допоміжні мікросхеми тощо.

Існують IBM PC - сумісні персональні комп’ютери, у яких на одній системній платі розміщені всі необхідні для роботи комп’ютера елементи. Такі плати називають All-in-One (“все на одній”). Але більшість ПК мають такі системні плати, на яких розміщені лише основні вузли, а елементи зв’язку наприклад, з монітором, накопичувачами та іншими периферійними пристроями відсутні. У такому випадку відсутні елементи розміщуються на окремих печатних платах, які потім вставляються у спеціальні розніми розширення. Тоді системну плату називають “материнською” , а додаткові плати - “дочірніми”. Функціональні пристрої, які виконані на “дочірніх” платах, часто називають “контролерами”, або “адаптерами”, а самі дочірні плати - “платами розширення”. Розніми розширення, у які вставляються дочірні плати, зв’язуються один з одним на материнській платі сукупністю паралельних провідників, які слугують для передачі даних і адрес, сигналів управління. Електричні, логічні та часові характеристики всіх цих сигналів завжди відповідають деякому визначеному стандарту - стандарту системної шини, про який мова піде пізніше.

Мікропроцесори. Найважливіший компонент будь-якого персонального комп’ютера - це його мікропроцесор (МП). МП, як правило, являє собою НВІС - надвелику інтегральну мікросхему, реалізовану на одному напівпровідниковому кристалі, яка може виконувати функції центрального процесора. Часто МП називають чіпами (CHIP). Ступінь інтеграції МП визначається розмірами кристалу і кількістю реалізованих у ньому транзисторів (від сотен тисяч до декількох мільйонів). Сьогодні безумовним лідером по створенню сучасних МП є фірма Intel (INTegrated Electronics).

До обов’язкових компонентів МП відносяться арифметико-логічний пристрій (АЛП) і пристрій управління (ПУ). МП характеризується тактовою частотою, довжиною слова або розрядністю ( внутрішньою та зовнішньою), архітектурою та набором команд. Під архітектурою МП розуміють регістри, стеки, систему адресування, а також типи даних, які обробляються процесором. Звичайно використовуються наступні типи даних (для 16-бітового МП): біт (один двійковий розряд), байт (8 бітів), слово (16 бітів), подвійне слово (32 біта). Якщо ж МП 32 - бітовий, то слово для нього складається з 32 бітів, а подвійне слово - з 64 бітів. Зараз існують вже 64 бітові і навіть 128 - бітові процесори.

Набір команд або інструкцій МП складається з команд для арифметичних дій, логічних операцій , операцій передачі даних, операцій передачі управління тощо.

З зовнішніми пристроями МП може спілкуватися завдяки своїм шинам адреси даних на управління, які виводяться на зовнішні контакти мікросхеми. При цьому кількість зовнішніх виводів МП може не співпадати з розрядністю його внутрішніх регістрів. Так мікропроцесор з 32 - розрядними регістрами може мати 20 або 16 зовнішніх ліній даних, по яких він веде обмін даними з пам’яттю. Слід зауважити, що обсяг фізично адресованої пам’яті МП визначається розрядність зовнішньої шини адреси як 2 до степені N, де N - кількість адресних ліній.

У подальшому ми будемо користуватися такими поняттями як вище згаданний регістр, периферія, порт, співпроцесор.

Регістр - це сукупність бістабільних пристроїв (тригерів з двома стабільними станами), які призначені для збереження двійкової інформації і до яких легко дістатися . Зрозуміло, що в регістрі з N - тригерів можна запам’ятати слово з N бітів інформації.

Периферія - це сукупність будь-яких зовнішніх по відношенню до мікропроцесора пристроїв, які мають з ним інформаційний обмін (введення-виведення даних).

Порт - це деякий пристрій або схема, який складений з одного або декількох регістрів введення-виведення і який дозволяє підключити деякий периферійний пристрій до зовнішніх шин мікропроцесора. У персональному комп’ютері кожен порт має свій унікальний номер, який є за сутністю адресою регістра введення-виведення. При цьому адресні простори основної пам’яті і портів введення-виведення не повинні перетинатися.

Для запису адрес основної пам’яті, номерів портів тощо в сучасних комп’ютерах використовується шістнадцяткова система числення. На відміну від десяткових, шістнадцяткові числа після останньої цифри повинні мати літеру “h” (Hexadecimal - шістнадцятковий).

Співпроцесор - це спеціалізована мікросхема, призначення якої виконувати математичні обчислення над числами з плаваючою крапкою. Першим математичним співпроцесором для IBM PC був NDP (Numerical Data Processor або MCP - Math CoProcessor) Intel 8087 фірми Intel, розроблений ще у 1980 році. Цей співпроцесор має свою історію розвитку так як і співпроцесори інших відомих фірм AMD, C&T, ITT, Cyrix, Weitek тощо.

Для довідок наведемо Таблицю 1.5 порівняльних характеристик мікропроцесорів фірми Intel. У цій таблиці MIPS (Million Instruction Per Second) означає середню швидкодію мікропроцесора, яка виражена в мільйонах інструкцій за секунду.

Таблиця 1.5

Порівняльні характеристики мікропроцесорів фірми Intel

Модель МП	Тактова частота: МГц	Розмір внутрішньої кеш-пам’яті: Кбайт	Співпроцесор Intel		Швидкодія: MIPS
1	2	3		4		5
80088 або 8086	4.77	-		8087		0.33
80088 або 8086	8	-		8087 - 2		0.80
80088 або 8086	10	-		8087 - 1		1.20
80286	8,12,16,20	-		287XL, 287XLT		1.2 - 2.2
80386SX	16	-		387SX-16
80386SX	20	-		387SX-20
80386SX	25	-		387SX-25
80386DX	16,20,25,33	-		387DX		6.00 - 12.00
486SX	25,33	-		387SX		10.5 - 12.5
486DX	25	128		Внутрішній		16.5
486DX2	25/50	128		Внутрішній		16.5 - 23.0
486DX4	25/75, 33/100	128		Внутрішній		32.0 - 45.0
Pentium	60/90, 66/100, 60/150	128		Внутрішній		112.0 - 150.0

Pentium II	266	512	Внутрішній	263.0
Pentium II	300, 333, 350, 400, 450	512	Внутрішній	_
Pentium 150MMX Pentium 166MMX	150 166	512 512	Внутрішній Внутрішній	346 320
Celeron Celeron A	266 300,333	- 128	Внутрішній Внутрішній	_ _

Пам'ять. Персональні комп’ютери використовують різні види пам’яті: оперативну(внутрішню), кеш-пам’ять,постійну і зовнішню.

Оперативна пам’ять призначена для зберігання змінної інформації, тобто вона допускає зміну свого вмісту під час виконання мікропроцесором обчислювальних операцій. Цей вид пам’яті забезпечує режими запису, читання і зберігання інформації. Так як у будь-яку миттєвість часу доступ може виконуватися до будь-якої комірки пам’яті, то цей вид пам’яті називають пам’яттю з довільною вибіркою RAM (Random Access Memory). Для побудови запам’ятовуючих пристроїв типу RAM використовують мікросхеми статичної (SRAM - Static RAM) та динамічної (DRAM - Dynamic RAM) пам’яті. Найбільше розповсюдження зараз одержали 30 - контактні мікромодулі пам’яті ємністю 256 Кбайт, 1 Мбайт, 4 Мбайт, а також 72 контактні модулі ємністю 512 Кбайт, 2 та 8 Мбайт (SIMM72 та DIMM72).

Постійна пам’ять. Постійна пам’ять звичайно утримує інформацію, яка не повинна змінюватися під час виконання мікропроцесором обчислень по програмі. Така пам’ять має назву ROM (Read Only Memory), яка вказує на те, що ця пам’ять забезпечує тільки режими читання та збереження інформації. Постійна пам’ять має таку особливість, як збереження інформації при відключенні живлення.

Кеш-пам’ять (буферна пам’ять) сучасних комп’ютерів призначена для узгодження швидкості роботи повільних пристроїв, таких, як динамічна пам’ять з більш швидким мікропроцесором. Це дає змогу виключити періоди чекання в роботі МП з оперативною пам’яттю, які знижували б швидкодію всієї системи. В IBM PC - сумісних комп’ютерах технологія використання кеш-пам’яті використовується для обміну даними між процесором і оперативною пам’яттю, а також між оперативною пам’яттю і накопичувачами на змінних і незмінних носіях (дискетки, компакт-диски, жорсткі магнитні диски), тобто з зовнішньою пам’яттю.

BIOS i CMOS RAM. Базова система введення-виведення BIOS (Basic Input Output System) в IBM PC - сумісних комп’ютерах реалізована у вигляді однієї, або двох мікросхем, які встановлені на системній платі комп’ютера. Вона включає в себе цілий комплекс програм введення-виведення, дякуючи яким операційна система і прикладні програми можуть співпрацювати як з різними пристроями комп’ютера, так і з пристроями, які підключаються до нього. Крім того, BIOS містить в собі також програму тестування комп’ютера POST (Power-One-Self-Test) і програму початкового завантажувача. Ця остання програма потрібна для завантаження операційної системи з відповідного накопичувача.

Системна BIOS в комп’ютерах, побудованих на мікропрцесорах Intel 80286 і вище, нероздільно пов’язана зі скороченням CMOS RAM (Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor RAM). CMOS RAM - це так звана “незмінна” пам’ять, в якій зберігається інформація про поточні показники годинника, значення часу для будильника, конфігурацію комп’ютера: обсяг пам’яті, кількість і тип накопичувачів, тип монітора тощо, тобто тієї інформації, яка потрібна програмним модулям системи BIOS.

В системі BIOS є програма SETUP, з допомогою якої можна змінити, при необхідності, вміст CMOS - пам’яті.

Допоміжні мікросхеми. Хоча мікропроцесор і пам’ять є головними компонентами системної плати, але самі по собі вони ще не є весь комп’ютер. Для створення справжньої мікропроцесорної системи необхідні такі допоміжні мікросхеми, як генератор тактів, таймер, різноманітні контролери, буфери адрес і даних тощо. Всі вони реалізовані, як VLSI (Very Large-Scale Integration, або надвеликі інтегральні схеми). Ці схеми системних та периферійних контролерів (VLSI) називають також набором мікросхем, або chipset (чіпсет).

Більшість логічних елементів комп’ютера виконані так, що вони повинні працювати синхронно, тобто по заздалегідь визначеним тактовим сигналам. Саме генератор тактової частоти виробляє спеціальні імпульси, які служать для відліку часу всіх пристроїв на системній платі. Головним елементом цього генератора є кристал кварцу, який має резонансну частоту великої стабільності. Імпульси тактової частоти використовуються в ком’ютері, наприклад для синхронізації роботи мікропроцесора і системної шини. Слід відзначити, що частота тактових імпульсів багато в чому визначає швидкодію (продуктивність) роботи мікропроцесора, а отже і всього комп’ютера в цілому.

Набори допоміжних мікросхем випускають багато фірм, однією з яких є фірма Intel. До більшості наборів входить периферійний контролер, наприклад, мікросхема 82С206 або інша їй подібна. Функціонально така мікросхема включає два контролера переривання типу 8259, два контролера прямого доступу до пам’яті типу 8237, таймер типу 8254, годинник реального часу та більше ніж 100 байтів CMOS RAM для збереження системної конфігурації.

Системні і локальні шини. Системна шина служить для передачі інформації між мікропроцесором і іншими електронними компонентами комп’ютера. Системна шина - це сукупність сигнальних ліній різного призначення (лінії даних, адреси, управління). Передачею інформації по шині керує пристрій, який називають арбітром шини.

Системна шина перших IBM PC та IBM PC/XT була призначена для одночасної передачі тільки 8 бітів інформації, так як МП Intel 8088 мав 8 ліній даних. Крім того, системна шина включала 20 адресних ліній, які могли забезпечити адресний простір до 1 Мбайта.

Для роботи з зовнішніми пристроями ця шина мала 4 лінії апаратних переривань (IRQ) і 4 лінії для забезпечення зовнішнім пристроям прямого доступу до пам’яті (DMA, Direct Memory Acces). Системна шина та мікропроцесор синхронізувались від тактового генератора з частотою 4.77мгц. Таким чином, теоретична швидкість передачі даних досягала 4.5 Мбайт/c.

Для комп’ютерів PC/AT на МП Intel 80286 вперше стали використовувати нову системну шину ISA (Industry Standard Architecture), кількість адресних ліній збільшено на 4, а даних на 8. Таким чином, стало можливим передавати паралельно 16 розрядів даних, а завдяки 24 адресним лініям адресувати 16 Мбайтів оперативної пам’яті. Кількість ліній апаратних переривань досягла 15, а каналів DMA - 7. Системні плати з шиною ISA допускали можливість синхронізації роботи шини і мікропроцесора різними тактовими частотами, що дозволяло пристроям, виконаним на платах розширення, працювати повільніше, ніж базовий МП. Це стало особливо актуальним, коли тактова частота мікропроцесора перевищувала 10-12 МГц. При цьому шина ISA працювала асинхронно з мікропроцесором на частоті 8мгц, що дозволяло теоретично підняти швидкість передачі даних до 16 Мбайтів/с.

З появою 32 - розрядних мікропроцесорів Intel 80386 i 80486 стало очевидним, що шина ISA свої можливості вже вичерпала. Було розроблено новий стандарт шини для IBM PC - сумісних комп’ютерів (EISA, Extended Industry Standard Architecture). Шина EISA дозволяє адресацію 4 - гігабайтного адресного простору, а теоретична максимальна швидкість по ній може досягати 33 Мбайтів/c. Проте тактовою частотою шини EISA залишилися 8-10 Мгц, тоді коли мікропроцесор працював на частотах 25, 33 і більше мегагерц.

Для підвищення швидкодії ПЕОМ були знайдені нові підходи. Один із них - це використання так званих локальних шин (Local bus), які зв’язують мікропроцесор з контролерами периферійних пристроїв. Були розроблені 3 стандарти для локальних шин: VL-bus (або VLB) асоціації VESA (Video Electronics Standards Association), PCI (Peripheral Component Interconnect) фірми Intel та PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association). Всі ці шини призначені для одного - підвищення швидкодії комп’ютера за рахунок підвищення тактової частоти роботи таких периферійних пристроїв як відеоадаптери та контролери накопичувачів до 33 Мгц і вище.

Нещодавно були прийняті нові стандарти для локальних шин: PCI-2 та AGP(Advanced Graphics Port). Перший з них дозволяє підвищити частоту передачі сигналів по локальній шині до 66 Мгц, другий – до 133 Мгц.