Схема технические средства пк


Схема технические средства пк

Рис. 1.1. Схема компьютера по Нейману Рис. 1.2. Блок-схема компьютера Рис. 1.3. Компоновка традиционного системного блока: 1 - системная плата; 2 - карта расширения ISA; 3 - карта расширения PCI; 4 - органы лицевой панели; 5 - динамик; 6, 7-отсеки 3' и 5'; 8-блок питания Рис. 1.3. Компоновка традиционного системного блока: 1 - системная плата; 2 - карта расширения ISA; 3 - карта расширения PCI; 4 - органы лицевой панели; 5 - динамик; 6, 7-отсеки 3' и 5'; 8-блок питания

1.

Архитектура и устройство персонального компьютера

1.1.

Принципы работы компьютера

Компьютер представляет собой устройство, способное исполнять четко определенную последовательность операций, предписанную программой. Понятие «компьютер» является более широким, чем понятие «электронно-вычислительная машина» (ЭВМ), поскольку в последнем акцент делается на вычисления. Персональный компьютер (ПК) отличается тем, что им может пользоваться один человек, не прибегая к помощи бригады обслуживающего персонала и не отводя под него специального зала с устройствами для поддержания климата, мощной системой электропитания и прочими атрибутами больших вычислительных машин. Этот компьютер обычно ориентирован на интерактивное взаимодействие с одним пользователем (в играх иногда и с двумя); причем взаимодействие происходит через множество сред общения - от алфавитно-цифрового и графического диалога с помощью дисплея, клавиатуры и мыши до устройств виртуальной реальности, в которой пока не задействованы, наверное, только запахи.

Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 г. английским исследователем Моррисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них построено в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 г. Джон фон Нейман.

В своем докладе Джон фон Нейман описал, как должен был устроен компьютер для того, чтобы он был универсальным и эффективным устройством для обработки информации.

Прежде всего компьютер должен иметь следующие устройства

• арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;

• устройство управления, которое организует процесс выполнения программ;

• запоминающее устройство, или память для хранения про грамм и данных;

• внешние устройства для ввода/вывода информации.

Память компьютера должна состоять из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываться данные либо инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть легко доступны для других устройств компьютера.

Связи между устройствами компьютера представлены на рис. 1.1 Рис. 1.1. Схема компьютера по Нейману(одинарные линии показывают управляющие связи, двойные - информационные).

В общих чертах работу компьютера можно описать так. Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа. Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических или логарифмических операций, чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций или запись их результатов в память, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство.

Как правило, после выполнения одной команды устройство управления начинает выполнять команду из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему следует продолжить выполнение программы начиная с команды, содержащейся в некоторой другой ячейке памяти. Такой «скачок», или переход, в программе может выполняться не всегда, а только при выполнении некоторых условий, например, если некоторые числа равны, если в результате предыдущей арифметической операции получился нуль и т.д. Это позволяет использовать одни и те же последовательности команд в программе много раз (т.е. организовывать цикл), выполнять различные последовательности команд в зависимости от выполнения определенных условий и т.д., т.е. создавать сложные программы.

Таким образом, управляющее устройство выполняет инструкции программы автоматически, без вмешательства человека. Оно может обмениваться информацией с оперативной памятью и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства, как правило, работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, управляющее устройство может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода/вывода с внешним устройством. Все результаты выполненной программы должны быть ею выведены на внешнее устройство компьютера, после чего компьютер переходит к ожиданию каких-либо сигналов внешних устройств.

1.2.

История и особенности современных компьютеров

Следует заметить, что схема устройства современных компьютеров несколько отличается от приведенной выше. В частности, арифметико-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в одно устройство - центральный процессор. Кроме того, процесс выполнения программ может прерываться для неотложных действий, связанных с поступившими сигналами от внешних устройств компьютера. Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах. Тем не менее большинство современных компьютеров в основных чертах соответствуют принципам, изложенным фон Нейманом.

Компьютеры 40-х и 50-х годов были очень большими устройствами - огромные залы были заставлены шкафами с электронным оборудованием. Все это стоило очень дорого, поэтому компьютеры были доступны только крупным компаниям и учреждениям. Однако в борьбе за покупателей фирмы, производившие компьютеры и электронное оборудование для них, стремились сделать свою продукцию более быстродействующей, компактной и дешевой. Благодаря достижениям современной технологии на этом пути были достигнуты поистине впечатляющие результаты.

Первый шаг к уменьшению размеров компьютеров стал возможен с изобретением в 1948 г. транзисторов - миниатюрных электронных приборов, которые смогли заменить в компьютерах электронные лампы. В середине 50-х годов были найдены дешевые способы производства транзисторов, и во второй половине 50-х годов появились компьютеры, основанные на транзисторах. Они были в сотни раз меньше ламповых компьютеров такой же производительности. Единственная часть компьютера, где транзисторы не смогли заменить электронные лампы, - это блоки памяти, но там вместо ламп стали использовать изобретенные к тому времени схемы памяти на магнитных сердечниках. К середине 60-х годов появились и значительно более компактные внешние устройства для компьютеров, что позволило фирме Digital Equipment выпустить в 1965 г. первый мини-компьютер PDP-8 размером с холодильник и стоимостью 20 тыс. долл. Но к тому времени был подготовлен еще один шаг к миниатюризации компьютеров - были изобретены интегральные схемы.

До появления интегральных схем транзисторы изготовлялись по отдельности, и при сборке схем их приходилось соединять и паять вручную. В 1958 г. Джек Килби придумал, как на одной пластине полупроводника получить несколько транзисторов. В 1959 г. Роберт Нойс (будущий основатель фирмы Intel) изобрел более совершенный метод, позволивший размещать на одной пластине и транзисторы, и все необходимые соединения между ними. Полученные электронные схемы стали называть интегральными схемами или чипами. В дальнейшем количество транзисторов, которое удавалось разместить на единице площади интегральной схемы, увеличивалось приблизительно вдвое каждый год. В 1968 г. фирма Burroughs выпустила первый компьютер на интегральных схемах, а в 1970 г. фирма Intel начала продавать интегральные схемы памяти.

В том же году был сделан еще один важный шаг на пути к персональному компьютеру: Маршиан Эдвард Хофф из той же фирмы Intel сконструировал интегральную схему, аналогичную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ. Так появился первый микропроцессор Intel-4004, который поступил в продажу в конце 1970 г. Конечно, возможности Intel-4004 были намного скромнее, чем у центрального процессора большой ЭВМ - он работал гораздо медленнее и мог обрабатывать одновременно только 4 бит информации (процессоры больших ЭВМ обрабатывали 16 или 32 бит одновременно). Но в 1973 г. фирма Intel выпустила 8-битовый микропроцессор Intel-8008, а в 1974 г. - его усовершенствованную версию Intel-8080, которая до конца 70-х годов являлась стандартом для микрокомпьютерной индустрии.

Вначале эти микропроцессоры использовались только электронщиками-любителями и в различных специализированных устройствах. Но в 1974 г. несколько фирм объявили о создании на основе микропроцессора Intel-8008 компьютера, т.е. устройства, выполняющего те же функции, что и большая ЭВМ. В начале 1975 г. появился первый коммерчески распространяемый компьютер Альтаир-8800, построенный на основе микропроцессора Intel-8080. Этот компьютер, разработанный фирмой MITS, продавался по цене около 500 долл. Хотя возможности его были весьма ограничены (оперативная память составляла всего 256 байт, клавиатура и экран отсутствовали), его появление было встречено с большим энтузиазмом. В первые же месяцы было продано несколько тысяч комплектов машин. Покупатели этого компьютера снабжали его дополнительными установками: монитором для вывода информации, клавиатурой, блоками расширения памяти и т.д. Вскоре эти устройства стали выпускаться другими фирмами. В конце 1975 г. Пол Аллен и Билл Гейтс (будущие основатели фирмы Microsoft) создали для компьютера «Альтаир» интерпретатор языка Basic, что позволило пользователям достаточно просто общаться с компьютером и легко писать для него программы. Это также способствовало популярности компьютеров.

Распространение персональных компьютеров к концу 70-х годов привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и мини-ЭВМ. Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IBM (International Business Machines Corporation) - ведущей компании по производству больших ЭВМ, и в 1979 г. фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров.

Однако руководство фирмы недооценило важность этого рынка и рассматривало создание компьютера всего лишь как мелкий эксперимент - что-то вроде одной из десятков проводившихся в фирме работ по созданию нового оборудования. Чтобы не тратить на этот эксперимент слишком много денег, руководство фирмы предоставило подразделению, ответственному за данный проект, большую свободу. В частности, ему было разрешено не конструировать персональный компьютер «с нуля», а использовать блоки, изготовленные другими фирмами.

В качестве основного микропроцессора компьютера был выбран новейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intel-8080. Его использование позволило значительно увеличить потенциальные возможности компьютера, так как новый микропроцессор позволял работать с 1 Мбайт памяти, а все имевшиеся тогда компьютеры были ограничены 64 Кбайт. В компьютере использованы и другие комплектующие различных фирм, а его программное обеспечение было поручено разработать небольшой фирме Microsoft.

В августе 1981 г. новый компьютер под названием IBM PC был официально представлен публике и вскоре после этого приобрел большую популярность у пользователей. Через один-два года компьютер IBM PC занял ведущее место на рынке, вытеснив модели 8-битовых компьютеров. Фактически IBM PC стал стандартом персонального компьютера. Сейчас такие компьютеры (совместимые с IBM PC) составляют около 90% всех производимых в мире персональных компьютеров.

Итак, персональные компьютеры, совместимые с IBM PC, делятся на несколько поколений (или классов) со следующими характерными особенностями:

• IBM PC первой модели имел процессор Intel-8088, адресуемую память 1 Мбайт, шину расширения ISA (8 бит), накопители на гибких дисках (НГМД) до 360 Кбайт.

• IBM PC/XT (Extended Technology - расширенная технология) - появились винчестеры - накопители на жестких дисках (НЖМД) и возможность установки математического сопроцессора Intel-8087.

• IBM PC/AT (Advanced Technology - прогрессивная или «продвинутая» технология): процессор Intel-80286/80287, адресуемая память 16 Мбайт, шина ISA 16 бит, НГМД 1,2 и 1,44 Мбайт, НЖМД.

В настоящее время класс машин AT развивается в нескольких направлениях: 16-разрядный процессор заменен на 32-разрядный (386 и старше), память адресуется в пространстве до 4 и даже 32 Гбайт, применяются более эффективные шины расширения (EISA, VLB, PCI) с сохранением ISA 16 бит как дешевой шины для обеспечения совместимости со старыми адаптерами, расширяется состав устройств, имеющих системную поддержку на уровне BIOS.

1.3.

Архитектура персонального компьютера

Компьютеры IBM имеют открытую архитектуру и собираются из набора устройств, позволяющих комбинировать множество вариантов. В отличие от них компьютеры Macintosh фирмы Apple поставляются в хорошо закрытом корпусе и практически нет возможности что-либо изменить в них.

Основные блоки IBM PC. Обычно персональные компьютеры IBM PC состоят из трех частей (блоков):

• системного блока;

• клавиатуры, позволяющей вводить символы в компьютер;

• монитора (или дисплея) - для отображения текстовой или графической информации.

Компьютеры выпускаются и в портативном варианте - в «наколенном» (лэптоп) или «блокнотном» (ноутбук) исполнении. Здесь системный блок, монитор и клавиатура заключены в один корпус: системный блок спрятан под клавиатурой, монитор вмонтирован в крышку клавиатуры.

Хотя из всех частей компьютера системный блок выглядит наименее эффектно, именно он является в компьютере «главным». В нем располагаются все основные узлы компьютера:

• электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессор, оперативная память, контроллеры устройств и т.д., см. ниже);

• блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;

• накопители (или дисководы), используемые для чтения и записи на гибкие магнитные диски (дискеты), CD, DVD;

• накопитель на жестком магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на несъемный жесткий магнитный диск (винчестер).

Дополнительные устройства. К системному блоку компьютера IBM PC можно подключить различные устройства ввода/вывода информации, расширяя тем самым его функциональные возможности. Многие устройства подсоединяются через специальные гнезда (разъемы), находящиеся обычно на задней стенке системного блока компьютера. Кроме монитора и клавиатуры, такими устройствами являются:

• принтер - для вывода на печать текстовой и графической информации;

• мышь - устройство, облегчающее ввод информации в компьютер;

• джойстик - манипулятор в виде укрепленной на шарнире ручки с кнопкой, употребляется в основном для компьютерных игр.

Подключение этих устройств выполняется с помощью специальных проводов (кабелей). Для защиты от ошибок разъемы для кабелей сделаны разными. Некоторые кабели (например, для соединения монитора или принтера) закрепляются с помощью винтов.

Устройства могут вставляться внутрь системного блока компьютера, например:

• модем - для обмена информацией с другими компьютерами через телефонную сеть;

• факс-модем - сочетает возможности модема и телефакса.

Некоторые устройства, например многие разновидности сканеров, используют смешанный способ подключения: в системный блок компьютера вставляется только электронная плата (контроллер), управляющая работой устройства, а само устройство подсоединяется к этой плате кабелем.

1.4.

Логическое устройство компьютера

Процессор. Самым главным элементом в компьютере, его «мозгом», является процессор, выполняющий все вычисления и обработку информации. Процессор умеет производить сотни различных операций и делает это со скоростью в несколько десятков или даже сотен миллионов операций в секунду. В компьютерах типа IBM PC используются процессоры фирмы Intel, а также совместимые с ними процессоры других фирм (AMD, Cyrix, IBM и др.).

Сопроцессор. В тех случаях, когда на компьютере приходится выполнять много математических вычислений (например, в инженерных расчетах), к основному процессору добавляют математический сопроцессор. Он помогает основному процессору производить математические операции над вещественными числами. Новейшие микропроцессоры фирмы Intel сами выполняют операции над вещественными числами, так что для них сопроцессор не требуется.

Оперативная память. Следующим очень важным элементом компьютера является оперативная память. Именно из нее процессор и сопроцессор берут программы и исходные данные для обработки, в нее они записывают полученные результаты. Название «оперативная» эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память. Однако содержащиеся в ней данные сохраняются, только пока компьютер включен, при выключении компьютера содержимое оперативной памяти обычно стирается.

Контроллеры и шина. Чтобы компьютер мог работать, в его оперативной памяти должны находиться программы и данные. А попадают они туда из различных устройств компьютера - клавиатуры, дисководов для магнитных дисков и т.д. Обычно эти устройства называют внешними, хотя некоторые из них могут находиться не снаружи компьютера, а встраиваться внутрь системного блока, как это описывалось выше. Результаты выполнения программ также выводятся на внешние устройства - монитор, диски принтер и т.д.

Таким образом, для работы компьютера необходим обмен информацией между оперативной памятью и внешними устройствами. Такой обмен называется вводом/выводом. Но этот обмен не происходит непосредственно: между любым внешним устройством и оперативной памятью в компьютере имеются два промежуточных звена:

1. Для каждого внешнего устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером, или адаптером. Некоторые контроллеры (например, контроллеры дисков) могут управлять сразу несколькими устройствами.

2. Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с процессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, которую обычно называют шиной.

Электронные платы. Для упрощения подключения устройств электронные схемы IBM PC состоят из нескольких модулей - электронных плат. На основной плате компьютера - системной (материнской) обычно располагаются основной процессор, сопроцессор, оперативная память, шины. Схемы, управляющие некоторыми внешними и дополнительными устройствами компьютера (контроллеры или адаптеры), находятся на отдельных платах, вставляющихся в унифицированные разъемы (слоты) на материнской плате. Через эти разъемы контроллеры устройств подключаются непосредственно к системной магистрали передачи данных в компьютере - шине. Таким образом, наличие свободных разъемов шины обеспечивает возможность добавления к компьютеру новых устройств. Чтобы заменить одно устройство другим (например, устаревший адаптер монитора новым), надо вынуть соответствующую плату из разъема и вставить вместо нее другую.

Контроллеры портов ввода/вывода. Одним из контроллеров, которые присутствуют почти в каждом компьютере, является контроллер ввода/вывода. Эти порты бывают следующих типов:

• параллельные (обозначаемые LPT1-LPT4), к ним обыкновенно подключаются принтеры;

• асинхронные последовательные (обозначаемые СОМ1-COM3). Через них обычно подсоединяются мышь, модем и т.д.;

• игровой порт - для подключения джойстика.

Некоторые устройства могут подключаться и к параллельным, и к последовательным портам. Параллельные порты выполняют ввод и вывод с большей скоростью, чем последовательные (за счет использования большого числа проводов в кабеле).

Комплектующие элементы IBM продаются в виде отдельных устройств. Преимущество такой поставки заключается в возможности создавать конфигурацию системы в соответствии со своими потребностями. Обычно предпочтительными оказываются варианты конфигурации, обеспечивающие большую гибкость системы.

Наиболее важные компоненты и параметры, определяющие достоинства системы IBM. К ним относятся следующие компоненты:

• микропроцессор (процессор);

• тактовая частота;

• объем памяти и скорость обращения к ней;

• объем памяти жесткого диска и скорость записи/считывания.

Быстродействие является самым существенным параметром при использовании компьютера в «медленных» процессах, к которым относится издательская обработка текста. Такие операции, как выключка строк, размещение текста на странице, осуществление режима для совместного представления текста и графических изображений, требуют значительных затрат времени даже в лучших современных машинах.

Увеличение быстродействия процессора расширяет возможности машины. Так, 32-разрядные процессоры могут обеспечить многопользовательский и многопрограммный режим. Это позволяет эффективно использовать процессор даже при низкой скорости операций ввода/вывода. Например, при сортировке данных гораздо больше времени, чем непосредственная работа процессора, занимают считывание исходных данных с диска и запись отсортированных данных на диск. Сама же сортировка представляет собой серию обменов данными между памятью и регистрами процессора и происходит с максимальной внутренней скоростью машины. При вводе текста быстрый процессор бездействует в перерывах между нажатиями клавиш.

Соответствующая организация управления работой процессора позволяет решать сразу несколько задач или обслуживать несколько пользователей. Распределение времени и ресурсов процессора между пользователями осуществляет операционная система.

С помощью такой системы процессор выполняет задачи по очереди, отдавая каждой часть своего времени. Если выполнение очередной задачи находится на стадии ввода/вывода, то операционная система переводит процессор для обслуживания следующей задачи или пользователя. В идеальном варианте при оптимальном распределении загрузки каждая задача обрабатывается независимо от других и каждому пользователю кажется, что процессор обслуживает только его. При большой загруженности пользователи будут испытывать неудобства из-за медленного выполнения их задач.

Представление информации в компьютере. Компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Вся другая информация (например, звуки, изображения, показания приборов и т.д.) для обработки на компьютере должна быть преобразована в числовую форму. Например, чтобы перевести в цифровую форму музыкальный звук, через небольшие промежутки времени измеряют интенсивность звука на определенных частотах, представляя результаты каждого измерения в числовой форме. С помощью программ для компьютера можно выполнить преобразование полученной информации, например «наложить» друг на друга звуки от разных источников. После этого результат можно преобразовать обратно в звуковую форму.

Аналогичным образом на компьютере обрабатывают и текстовую информацию. При вводе в компьютер каждая буква кодируется определенным числом, а при выводе на внешнее устройство (экран или печать) для восприятия человеком по этим числам строятся соответствующие изображения букв. Соответствие между набором букв и числами называется кодировкой символов.

Как правило, все числа в компьютере представляются с помощью нулей и единиц (а не десяти цифр, как это привычно для людей). Иными словами, компьютеры обычно работают в двоичной системе счисления, что значительно упрощает их конструкцию. Ввод чисел в компьютер и вывод их для чтения человеком может осуществляться в привычной десятичной форме - все необходимые преобразования могут выполнить программы, работающие на компьютере.

Единицей информации в компьютере является один бит, т.е. двоичный разряд, который может принимать значение 0 или 1. Как правило, команды компьютеров работают не с отдельными битами, а с восемью битами сразу. Восемь последовательных битов составляют байт. В одном байте можно закодировать значение одного символа из 256 возможных (256 = <?xml version="1.0"?> ). Более крупными единицами информации являются килобайт (сокращенно обозначаемый Кбайт), равный 1024 байт (1024 = <?xml version="1.0"?> ), и мегабайт (сокращенно обозначаемый Мбайт), равный 1024 Кбайт.

Программы для компьютеров. Программы для первых компьютеров приходилось писать на машинном языке, т.е. в кодах, непосредственно воспринимаемых компьютером. Это была очень тяжелая, малопроизводительная и кропотливая работа, в ходе которой можно было легко ошибиться. Для облегчения процесса программирования в начале 50-х годов были разработаны системы, позволяющие писать программы не на машинном языке, а с использованием мнемонических обозначений машинных команд. Такой язык для написания программ называется автокодом, или языком ассемблера. Программы на ассемблере очень просто переводятся в машинные команды с помощью специальной программы, которая также называется ассемблером. Ассемблер и сейчас часто используется при программировании в тех случаях, когда требуется достичь максимального быстродействия и минимального размера программ либо наиболее полно учесть в программе особенности компьютера.

Однако составление программ на языке ассемблера все же весьма трудоемко. Для этого программист должен хорошо знать систему команд соответствующего компьютера, а в ходе работы ему приходится бороться не столько со сложностями решаемой задачи, сколько с переводом необходимых в задаче действий в машинные команды. Поэтому и после появления ассемблеров многие исследователи продолжали попытки облегчить процесс программирования, «научив» компьютеры понимать более удобные для человека языки составления программ. Такие языки стали называть языками программирования высокого уровня, а языки ассемблера и другие машинно-ориентированные языки - языками низкого уровня. Программы на языках высокого уровня либо преобразуются в программы, состоящие из машинных команд (это делается с помощью специальных программ, называемых трансляторами или компиляторами), либо интерпретируются с помощью программ-интерпретаторов.

Языки высокого уровня позволили значительно упростить процесс написания программ, так как они ориентированы на удобство описания команд.

Память. Объем и время доступа. Широко распространенные схемы динамических оперативных запоминающих устройств (ОЗУ) имеют время доступа до 70 нc. Вместе с тактовой частотой эта величина определяет предел скорости операции записи/считывания.

Если процессор работает быстрее, чем запоминающее устройство, быстродействие машины можно увеличить за счет применения технологии, получившей название «кэш-память». Система может быть оборудована небольшой по объему (16 Кбайт) высокоскоростной кэш-памятью, представляющей собой статическое ОЗУ. Статические чипы, которые дороже динамических, имеют время доступа порядка 25 нс. Если в компьютере имеется «кэш-ОЗУ», то при пересылке команд и обрабатываемых данных в микропроцессор они поступают и в кэш-память. В тех случаях, когда процессор снова должен использовать эту информацию, она может быть получена из кэш-памяти значительно быстрее, чем из обычной. Выполнение процедур, включающих циклы, при этом заметно ускорится.

Общий объем доступа к памяти также влияет на скорость работы машины. Если объем памяти достаточен для полной загрузки в нее всех рабочих программ, процесс обработки значительно ускоряется по сравнению с вариантами, требующими периодических обращений к диску. Вспомним старые 8-битовые машины с памятью 64 Кбайт. Работая с двумя гибкими дисками (А и В), на одном из которых находились программы, а на другом - обрабатываемые данные, пользователь вынужден был продолжительное время лишь наблюдать за включением и выключением сигнальных лампочек дисководов. То же происходит при использовании в современных машинах жесткого диска, но, конечно, со значительно большей скоростью. Если компьютер имеет большое ОЗУ, в котором помещаются не только программы, но и обрабатываемые данные, процесс обработки еще более ускоряется.

Некоторые программы, используемые в настольных издательских системах, работают с ограниченной памятью даже при большой доступной памяти. Для обработки объемистых документов эти программы применяют расширение памяти с помощью диска путем создания так называемого дискового буфера. При просматривании пользователем текста программно осуществляется необходимый обмен данными между памятью и дисковым буфером (на экране отображается только информация, непосредственно содержащаяся в памяти).

Если объем памяти позволяет, для удобства пользователя может быть применен «ОЗУ-диск», который молено рассматривать как противоположность дисковому буферу. Если дисковый буфер - это область диска, воспринимаемая процессором как область памяти, то ОЗУ-диск - область памяти, воспринимаемая как область диска.

ОЗУ-диск создается с помощью программных средств, которые специально выделяют данную область памяти. В дальнейшем она воспринимается операционной системой и другими программами как новый диск.

По сравнению с обычными дисками ОЗУ-диски работают значительно быстрее, операции чтения/записи осуществляются со скоростью доступа к памяти.

В то время как дисковый буфер расширяет объем памяти, доступный программе, за счет уменьшения быстродействия, ОЗУ-диск увеличивает быстродействие, используя для этого часть объема доступной памяти. Не следует забывать, что ОЗУ-диск сохраняет информацию только при включенном компьютере, по завершении работы все данные с ОЗУ-диска должны быть скопированы на прямые магнитные носители.

Другим аналогичным ОЗУ-диску «устройством» является спулер (spooler), представляющий собой область памяти, выделенную для хранения документов, отправляемых принтеру. Спулеры обеспечивают работу принтера в режиме, подобном поддерживаемому многозадачной операционной системой. Как и ОЗУ-диски, спулеры создаются с помощью программ, которые выделяют область памяти (иногда содержащую ОЗУ-диск) под спулер. Распечатываемые документы передаются в спулер, который активизирует принтер «на заднем плане» и пересылает в него выводимые на печать данные, в то время как другие программы работают на переднем плане. При этом спулер использует только незадействованные ресурсы микропроцессора, работа программ переднего плана не замедляется. ОЗУ-диски и спулеры повышают эффективность работы системы, используя «излишки» оперативной памяти.

Число состояний ожидания. Еще один фактор, в некоторой степени влияющий на быстродействие, - число состояний ожидания. Состояния ожидания - это пустые машинные циклы во время обращения к памяти. Такие циклы имеют место, когда быстрый микропроцессор считывает данные из памяти и должен ожидать, пока медленная память передаст данные на шину. Представим себе, например, что тактовая частота, при которой работает микропроцессор, 20 МГц, т.е. каждый машинный цикл занимает 50 нс. Но если Для передачи данных на шину требуется 150 нс, то при каждом обращении к памяти процессор должен ждать два машинных цикла. Если характеризовать машину по этим параметрам, можно определить описанную ситуацию как «два состояния ожидания». Изобретательные подходы к разработке архитектуры системы позволяют сократить состояния ожидания, даже если память работает медленнее микропроцессора. Поставщики машин, имеющих более одного состояния ожидания, предпочитают умалчивать об этом.

Маловероятно, что число состояний ожидания может оказать решающее влияние при выборе машины. Тем не менее полезно учитывать эту характеристику, сравнивая быстродействие конкурирующих между собой машин.

Объем памяти и скорость жесткого диска. Жесткий диск является одним из постоянно работающих элементов системы, и его эксплуатационные характеристики существенно влияют на возможности системы в целом. Программы обработки текста и верстки часто обращаются к жесткому диску, поскольку обычно ни программы, ни обрабатываемые тексты не могут целиком помещаться в память. Если какие-либо из программ используют дисковый буфер, жесткий диск становится расширением системной памяти и поэтому работает постоянно. Естественно, время обращения к диску оказывает значительное влияние на возможности системы.

Время обращения определяется как средняя продолжительность перемещения головки к соответствующему треку и чтения или записи одного блока данных. Для современных дисков это время менее 10 мс.

Другим важным фактором, определяющим скорость, с которой данные пересылаются между диском и памятью, является архитектура дискового контроллера. Дисковый контроллер управляет передачей данных между диском и памятью. Контроллеры, поддерживающие взаимодействие 1:1, - наиболее быстрые.

Независимо от времени обращения и архитектуры быстродействие в целом может быть увеличено применением кэш-диска, аналогичного кэш-памяти, описанной ранее. Для этого определенная область памяти диска выделяется под кэш-диск. Когда фрагменты программы или массивы данных записываются в память, они помещаются также в кэш-диск. Во время последующего считывания сначала производится обращение к кэш-диску для поиска необходимой информации. В случае ее обнаружения время а ращения к диску существенно сокращается. С помощью специальных программ создание кэш-диска может быть организовано при любой архитектуре машин. Работа кэш-диска имеет большое сходство с работе ОЗУ-диска, но во втором случае пользователь сам определяет, какие программы и данные необходимо скопировать в ОЗУ-диск с жесткого диска. Работа кэш-диска выполняется автоматически, система сама определяет, что необходимо записать в кэш-диска.

Общий объем памяти жесткого диска очень важен при его и пользовании в настольной издательской системе. Цветное пол тоновое изображение, занимающее страницу форматом А4, и разрешении 300 точек/дюйм требует около 30 Мбайт памяти. Даже при использовании методов сжатия информации несколько иллюстраций могут занять сотни мегабайт памяти на диске.

Устройство компьютера представлено на рис. 1.2 Рис. 1.2. Блок-схема компьютера. Заметим, что контроллер клавиатуры показан на системной плате - так обычно и делается, поскольку это упрощает изготовление компьютер. Иногда на системной плате размещаются и контроллеры других устройств.

1.5.

Конструкция персонального компьютера

Конструктивные решения, заложенные в первую модель IBM PC образца 1981 г., без каких-либо кардинальных изменений дошли и до наших дней.

В классическом варианте исполнения PC состоит из системного блока, к которому подключается клавиатура, видеомонитор и все периферийные устройства.

В системном блоке (рис. 1.3 Рис. 1.3. Компоновка традиционного системного блока: 1 - системная плата; 2 - карта расширения ISA; 3 - карта расширения PCI; 4 - органы лицевой панели; 5 - динамик; 6, 7-отсеки 3' и 5'; 8-блок питания) расположена системная плата (System Board или Mother Board - материнская плата) с установленными на ней центральными компонентами компьютера - процессором, оперативной памятью, вспомогательными схемами и щелевыми разъемами-слотами, в которые можно устанавливать платы расширения. В корпусе системного блока имеются отсеки для установки дисковых накопителей и других периферийных устройств трех- и пятидюймового формата, а также блок питания. На задней стенке корпуса расположены отверстия для разъемов клавиатуры и некоторых других, а также щелевые прорези, через которые из корпуса выходят внешние разъемы, установленные на платах расширения. Платы (карты) расширения имеют краевой печатный разъем, которым они соединяются со слотами шин ввода/вывода, и металлическую скобу, которая закрепляет плату на корпусе (рис. 1.3 Рис. 1.3. Компоновка традиционного системного блока: 1 - системная плата; 2 - карта расширения ISA; 3 - карта расширения PCI; 4 - органы лицевой панели; 5 - динамик; 6, 7-отсеки 3' и 5'; 8-блок питания). На этой скобе могут быть установлены внешние разъемы. Габаритные и присоединительные размеры плат, способ их крепления и шины ввода/вывода унифицированы.

Унификация системных плат, корпусов и плат расширения обеспечивается следующими конструктивными соглашениями:

• стандартизация размеров, количества контактов и электрического интерфейса слотов шин расширения;

• фиксированное расстояние от слота до задней кромки платы;

• фиксированный шаг между соседними слотами, а также их привязка к крепежным точкам и положению разъема клавиатуры;

• определение максимальных размеров (длина и высота) карт расширения;

• определение геометрии нижнего края платы расширения, формы и размеров фиксирующей скобки.

Длина платы может быть ограничена, что связано с особенностями корпуса и компоновкой элементов системной платы (иногда ее установке мешают высокие элементы).

Максимальная длина платы составляет 335 мм, при этом ее передний край должен входить в направляющие полозья, установленные на корпусе. Полную длину и высоту имеют только очень старые или достаточно сложные адаптеры.

Со стороны задней стенки плата адаптера обязательно должна иметь металлическую крепежную скобу, с помощью которой плата винтом крепится к корпусу. Незакрепленная плата может шататься, что приведет к неустойчивости контакта и, следовательно, к сбоям. Плата с внешними разъемами может выдернуться из слота, и, если это произойдет при включенном питании, возможно разрушение системной платы, адаптеров и блока питания.

Изначально системный блок устанавливался на стол горизонтально, и этот тип корпуса называется Desktop (настольный). Корпуса были довольно громоздкие, но со временем за счет уменьшения площади системной платы удалось сократить их длину. Так появился формат корпуса (и системной платы) Baby-AT, a традиционные корпуса и платы получили название Full-AT (полноразмерные). В настоящее время под корпусом DeskTop подразумевается корпус длиной около 35 см (чуть длиннее, чем Baby). Сверху на настольный корпус часто устанавливают монитор (хотя при этом его экран находится слишком высоко), а перед корпусом располагают клавиатуру. Вся эта композиция занимает слишком много места, особенно в глубину, и на обычном столе разместить ее сложно (поэтому и появилась новая «компьютерная» мебель). Позже догадались поставить корпус «стоя», слегка изменив расположение отсеков внешних устройств.

Так появился тип корпуса Tower (башня), наиболее популярный в настоящее время. В него можно устанавливать системные платы и карты расширения тех же форматов, что и в Desktop, но конструктивно он лучше и удобнее за счет наличия жесткого скелета-шасси. Недавно был принят новый стандарт на конструкцию системной платы и корпуса - АТХ. Эта конструктия появилась в связи с тенденцией расположения максимального числа периферийных контроллеров на системной плате, что привело к затруднению вывода их внешних разъемов.

Корпуса типа Tower могут иметь разные размеры, в зависимости от которых их устанавливают на стол или рядом со столом на полу или какой-либо подставке. При напольной установке могут возникнуть проблемы с длиной кабелей подключения клавиатуры и монитора, но эти проблемы разрешимы с помощью специальных удлинителей. В принципе не возбраняется и укладка корпуса Tower на стол горизонтально, тогда на него можно поставить не очень тяжелый монитор. Однако при этом, в отличие от корпуса Desktop, отсеки для накопителей окажутся расположенными вертикально. В таком положении трудности возникнут с использованием CD-ROM: считывать информацию он, скорее всего, будет нормально, но смена дисков станет почти невозможной.

Корпус Mini-Tower является самой маленькой башней: он имеет высоту около 35 см, ширину 17-18 см (чуть шире 5" отсека), глубину около 40 см и всего два отсека формата 5". Из трех-четырех отсеков 3" на лицевую панель могут выводиться всего два.

Корпус Midi-Tower несколько больше: он имеет высоту около 40 см и по крайней мере три отсека формата 5".

Корпус Big-Tower имеет высоту около 60 см и пять-шесть отсеков формата 5".

Эти корпуса обычно шире (для устойчивости и лучшего охлаждения внутренних устройств). Есть и более емкие корпуса - Super Big-Tower и другие, предназначенные для компьютеров-серверов.

Новая спецификация для низкопрофильных корпусов NLX преследует примерно те же цели, что и АТХ. На краевой разъем системной платы выводятся сигналы шин PCI, ISA и USB, интерфейсные сигналы контроллеров НГМД и порты IDE, линии питания и подключения всех органов лицевой панели. На системной плате предусматривается место для слота AGP, в который можно установить видеокарту уменьшенной высоты.

Все вышеперечисленные типы корпусов позволяют использовать стандартные платы расширения и довольно широкий ассортимент системных плат, т.е. «конструктор» является универсальным, и возможности модернизаций не упираются в необходимость приобретать изделия одного производителя. Однако существуют и «фирменные» типы корпусов, в которые могут устанавливаться только «родные» им системные платы. Что касается плат расширения, то обычно они все-таки универсальны, хотя попадаются и системы, замкнутые на себя.

Существуют корпуса экзотических форм - например, в виде прямоугольного сектора цилиндра, предназначенные для установки в угол (фирма Packard Bell).

Есть и компьютеры-моноблоки, в которых системный блок и монитор расположены в общем корпусе. Существуют так называемые мультимедийные корпуса со встроенными стереофоническими акустическими системами.

Кроме стационарных PC, давно уже выпускаются и их портативные варианты. Первые из них были довольно громоздкими.

Переносная машина IBM PC Portable была скомпонована в корпусе обычного настольного размера, но на ее переднюю панель выходил экран небольшой электронно-лучевой трубки монитора. Клавиатура пристегивалась к передней панели и при переноске служила крышкой. Вес машины был внушительным (его задавал прочный стальной корпус), а питание осуществлялось только от сети.

Несколько позднее появились компьютеры класса Laptop - наколенные, которые имели вид небольшого портфеля-дипломата. Они уже были оборудованы плоскими жидкокристаллическими мониторами и имели возможность работать от встроенных аккумуляторов. Каждый разработчик проектировал эти машины по-своему, и об их открытости и модернизируемости говорить не приходится. На смену им пришли более компактные машины класса Note Book - блокнотные ПК, линии которых успешно развиваются в настоящее время. В этих машинах уже достигнута унификация модулей их функционального расширения в виде стандарта PCMCIA, который недавно был переименован в PC Card. По своим характеристикам блокнотные компьютеры незначительно отстают от своих настольных собратьев, но дороже в несколько раз.

Карты, сокеты, слоты, джамперы. Системной (System Board), или материнской (Mother Board), платой называют основную печатную плату, на которой устанавливаются процессор, оперативная память, ROM BIOS и некоторые другие системные компоненты.

Платой расширения, или картой расширения (Expansion Card), называют печатную плату с краевым разъемом, устанавливаемую в слот расширения. Карты расширения, привносящие в PC какой-либо дополнительный интерфейс, называют интерфейсными картами (Interface Card). Поскольку интерфейсная карта представляет собой «приспособление» для подключения какого-либо устройства, к ней применимо и название «адаптер» (Adapter). К примеру, дисплейный адаптер (Display adapter) служит для подключения дисплея-монитора. Адаптер и интерфейсная карта практически синонимы, и, например, NIC (Network Interface Card - карта сетевого интерфейса) часто переводится как адаптер ЛВС (локальной вычислительной сети).

Слот (Slot) - щелевой разъем, в который устанавливается какая-либо печатная плата. Слот расширения (Expansion Slot) в PC представляет собой разъем системной шины в совокупности с прорезью в задней стенке корпуса компьютера, т.е. посадочное место для установки карты расширения. Слоты расширения имеют разъемы шин ISA/EISA, PCI, MCA, VLB или PC Card (PCMCIA). Внутренние слоты используются и для установки модулей оперативной памяти (DIMM), кэш-памяти (COAST), а также процессорных модулей и модулей памяти в некоторых моделях PC.

Сокет (Socket) - это гнездо, в которое устанавливаются микросхемы. Его контакты рассчитаны на микросхемы со штырьковыми выводами в корпусах DIP, PGA во всех модификациях или же микросхемы в корпусах SQJ и PLCC с выводами в форме буквы «J». ZIF-Socket (Zero Insertion Force - с нулевым усилием вставки) предназначен для легкой установки при высокой надежности контактов. Гнезда имеют замок, открыв который можно установить или изъять микросхему без приложения усилия к ее выводам. Для работы после установки замок закрывают, при этом контакты сокета плотно обхватывают выводы микросхемы.

Джампер (Jumper) представляет собой съемную перемычку, устанавливаемую на выступающие из печатной платы штырьковые контакты. Джамперы используются для конфигурирования различных компонентов как выключатели или переключатели, для которых не требуется оперативного управления. Их переставляют с помощью пинцета, что рекомендуется делать только при выключенном питании, поскольку есть опасность их уронить в неподходящее место или закоротить пинцетом близко расположенные контакты.

DIP-переключатели (DIP Switches) - малогабаритные выключатели в корпусе DIP, применяемые для тех же целей, что и джамперы. Их преимущество в более легком переключении, которое удобно производить шариковой ручкой. Недостатком переключателей является большее, по сравнению с джамперами, занимаемое на плате место и более высокая цена. Кроме того, несмотря на название, они обычно являются только выключателями, что делает их применение менее гибким, чем применение джамперов.

В современных компонентах стремятся сокращать количество переключателей или джамперов, стараясь переложить все конфигурационные функции на программно-управляемые электронные компоненты. Компоненты, которые после установки конфигурируются автоматически, относят к классу РР (Plug and Play - вставляй и играй).

1.6.

Системные ресурсы

Архитектурный облик PC-совместимого компьютера определяется рядом свойств, обеспечивающих возможность функционирования программного обеспечения, управляющего периферийным оборудованием. Программы могут взаимодействовать с устройствами разными способами:

• используя вызовы функций операционной системы (прерывания DOS, API Windows и т.п.);

• используя вызовы функций базовой системы ввода-вывода (BIOS);

• непосредственно взаимодействуя с регистрами периферийных устройств или контроллеров интерфейсов.

Такая совместимость существует благодаря открытости архитектуры IBM PC. Любой PC-совместимый компьютер имеет следующие характерные черты:

• процессор, совместимый с семейством х86 фирмы Intel;

• единую систему распределения пространства адресов памяти между оперативной стандартной, не превышающей 640 Кбайт служебной памятью периферийных адаптеров, постоянной и расширенной оперативной памятью;

• унифицированное распределение адресов пространства ввода/вывода с фиксированным положением обязательных портов совместимостью их программной модели;

• систему аппаратных прерываний, позволяющую периферийным устройствам сигнализировать процессору о необходимости исполнения некоторых обслуживающих процедур;

• систему прямого доступа к памяти, позволяющую периферийным устройствам обмениваться массивами данных с оперативной памятью, не отвлекая на это процессор;

• набор системных устройств и интерфейсов ввода/вывода;

• унифицированные по конструкции и интерфейсу шины расширения (ISA, EISA, MCA, VLB, PCI, PC Card), состав которых может варьироваться в зависимости от назначения и модели компьютера;

• базовую систему ввода/вывода (BIOS), выполняющую начальное тестирование и загрузку операционной системы, а также имеющую набор функций, обслуживающих системные устройства ввода/вывода.

Стандартная архитектура PC определяет набор обязательных средств ввода/вывода и средств поддержки периферии - системы аппаратных прерываний и прямого доступа к памяти. К обязательным стандартизированным средствам ввода/вывода относятся:

• трехканальный счетчик;

• интерфейс клавиатуры и управления;

• канал управления звуком;

• графический адаптер (MDA, CGA, EGA, VGA, SVGA...).

С первых моделей PC определился облик системных устройств ввода/вывода, к которым поначалу относилась лишь клавиатура, видеоадаптер с монитором и принтер, подключаемый к последовательному или параллельному порту. Дисковая подсистема развивалась от простейших накопителей на гибких дисках, к которым вскоре добавились и жесткие, объем которых стремительно рос и продолжает расти. Сейчас в дисковую систему входят накопители разных типов, a CD-ROM уже попал и в список загрузочных устройств. Все эти устройства имеют поддержку BIOS, что позволяет прикладным программам или операционной системе использовать их без каких-либо дополнительных драйверов. Давно появившаяся «мышь» тоже входит в список стандартных устройств (хотя BIOS ее может и не поддерживать). Сейчас в список стандартных устройств включают и цифровой аудиоканал.

Устройства, ранее называемые видеоадаптерами, сейчас более точно называют графическими адаптерами.

Аппаратные прерывания обеспечивают реакцию процессора на события, происходящие асинхронно по отношению к исполняемому программному коду.

Распределение системных ресурсов. Наиболее распространенными для подключения карт расширения PC являются шины ISA и PCI. В шину PCI изначально были заложены возможности автоматического конфигурирования установленных адаптеров. Спецификация традиционной шины ISA требует, чтобы всем картам назначались свои системные ресурсы - области адресов в пространствах памяти и ввода/вывода, линии запросов прерываний и каналы прямого доступа к памяти. При этом по используемым ресурсам платы не должны конфликтовать. В отличие от шин MCA, EISA и PCI шина ISA не имеет механизмов автоматического конфигурирования и распределения ресурсов, так что все заботы по конфигурированию устанавливаемых адаптеров и разрешению конфликтов ложатся на пользователя. Задача конфигурирования осложняется и из-за отсутствия общего механизма автоматической передачи установленных параметров прикладному и системному программному обеспечению. После конфигурирования адаптеров, выполняемого обычно переключением джамперов (хорошо, если есть документация с их описанием), установленные параметры заносятся в конфигурационные файлы, специфичные для каждого программного продукта.

Кроме «явно полезных» устройств конфигурированию подлежат и мосты шины PCI (PCI Bridge) - аппаратные средства подключения шины PCI к другим шинам. Host Bridge - главный мост - используется для подключения к системной шине (шине процессора или процессоров). Peer-to-Peer Bridge - одноранговый мост - используется для соединения двух шин PCI (дополнительные шины PCI позволяют увеличить количество подключаемых устройств).

Контрольные вопросы

1. Какое устройство в PC выполняет арифметические и логические операции (по принципу Неймана)?

2. Какое устройство в PC выполняет операции ввода/вывода?

3. Какое устройство в PC организует выполнение программ?

4. Когда появился первый микропроцессор Intel-4004?

5. Когда появился первый компьютер IBM PC?

6. Какая фирма является основателем современной архитектуры PC?

7. Какую архитектуру имеют компьютеры IBM PC?

8. Какой параметр PC в большей степени определяет ее быстродействие?

9. Какое электронное устройство PC управляет внешним устройством?

10. Какое устройство PC служит для обмена информацией с другими компьютерами через телефонную сеть?

Фото Схема технические средства пк




Схема технические средства пк

Схема технические средства пк

Схема технические средства пк

Схема технические средства пк

Схема технические средства пк

Схема технические средства пк

Схема технические средства пк

Схема технические средства пк

Схема технические средства пк

Схема технические средства пк

Схема технические средства пк

Схема технические средства пк

Схема технические средства пк

Схема технические средства пк

Схема технические средства пк

Похожие новости:

  • Питание лдс от 12 вольт схемы
  • Лыжный тренажер своими руками
  • Фото причесок кудри на бок на средние волосы
  • Одевалки и макияж и парикмахерская
  • Соотношение 35 х 45 как сделать