Конструкция и аппаратный состав IBM PC

Блок-схема ЭВМ по фон-Нейману и ее реализация в ПК

Блок схема любого компьютера состоит из пяти частей (рисунок 1.1):

┌ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─┐
ЦПУ┌───────┐
│ │ УУ │ │
└───┬───┘
┌──────┐ │ ┌────┴────┐ │ ┌────────┐
│ Увв ├───>│ АЛУ │ ────>│ Увыв │
└──────┘ │ └────┬────┘ │ └────────┘
└─ ─ ─ ─│─ ─ ─ ┘
┌────┴────┐
│ ЗУ │
└─────────┘

Рисунок 1.1. Обобщенная блок-схема ЭВМ.

Две части: АЛУ и УУ составляют центральное процессорное устройство (в РС – CPU – микропроцессор).

АЛУ (арифметико=дигическое устройствр) предназначено для выполнения арифметических и логических процедур программы вычислений.

УУ (устройство управления) выполняет функции управления устройством АЛУ, оперативной памятью и синхронизирует работу всех составных частей вычислительной системы (в РС УУ встраивается в CPU). Устройство управления вычислительной системой может быть выполнено на жесткой логике, или использовать микропрограммный способ управления.

Как известно, управление вычислительным устройством осуществляется аппаратно с помощью фиксированных для каждой вычислительной системы специальных сигналов, называемых элементарными операциями.

При выполнении УУ с жесткой логикой, выработка нужных последовательностей элементарных операций производится с помощью дешифратора кода операций и распределителя синхронизирующих импульсов (РСИ). При этом аппаратная реализация такого УУ получается очень сложной и громоздкой. Это связано с тем, что дешифратор кода операций должен иметь столько выходов, сколько разных команд имеется в системе машинных (ассемблерных) команд данной вычислительной системы, и каждый из выходов такого дешифратора должен иметь свой собственный РСИ. Кроме того, такое УУ совершенно негибко в части внесения каких-либо изменений в систему команд (потому-то она и называется жесткой), т. к. в этом случае потребуются аппаратные изменения, как в дешифраторе команд, так и в системе РСИ. Но, тем не менее, реализованное на жесткой логике управление является весьма быстродействующим и находит применение в специализированных вычислительных системах.

Для упрощения аппаратной структуры устройства управления был разработан метод микропрограммного управления. Суть его состоит в том, что для каждой машинной операции разработана своя микропрограмма, состоящая из последовательности отдельных микрокоманд. Каждая из микрокоманд, в свою очередь, содержит либо непосредственно набор элементарных операций (микроопераций), которые необходимы для выполнения данного шага микропрограммы и могут быть выполнены одновременно, либо только коды элементарных операций, которые должны быть одновременно выполнены в данной микрокоманде. В последнем случае, коды элементарных операций тоже расшифровываются, но очень простыми дешифраторами, так что структура микрокоманды упрощается и становится похожей на структуру обычной машинной команды. Обобщенно структуру микрокоманды можно представить так:

|КМкОп| – |Адр|

где

КМкОп – код микрооперации (принять, выдать данные, сбросить регистр и т. п.)

Адр – адрес компоненты (регистра, формирователя, сумматора и т. д.), для которой должна быть выполнена данная микрооперация.

Последовательность микрокоманд (с учетом условий их выполнения, переходов в микропрограмме, подобно машинным, ассемблерным командам) и составляет конкретную микропрограмму. Вся система микропрограмм обычно хранится в ПЗУ микропроцессора, но иногда и в ОЗУ микропроцессора. Последнее требует перед началом работы загрузить ОЗУ микропрограмм, но такой прием позволяет, загрузив другую систему микропрограмм, работать в другой ассемблерной системе команд.

Каждая из микропрограмм вызывается на исполнение по коду операции исполняемой ассемблерной команды, так что последовательность выполняемых микропрограмм однозначно определяется последовательностью ассемблерных команд выполняемой в данный момент программы.

Увв (устройство ввода) и Увыв (устройство вывода) в ПК составляют подсистему ввода-вывода. Увв – для ввода исполняемых программ, оперативных настроек операционной системы, прикладных программ, исходных данных для вычислений и команд оперативного управления вычислительным процессом. Увыв – для вывода оперативной информации, результатов вычислений (на дисплей, печатающие устройства, удаленные терминалы, абонентам сетей и т. д.), различных программных файлов, данных для резервного хранения и т. п.

ЗУ (запоминающее устройство) включает в себя ОЗУ и ПЗУ (RAM и ROM BIOS). ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) предназначается для хранения рабочей программы в процессе вычислений, а также для оперативного хранения исходных данных, промежуточных и конечных результатов вычислений до завершения выполняемой программы. Если в качестве автоматического вычислительного устройства иметь в виду конкретно компьютер, то в ОЗУ компьютера хранятся, при его работе, еще и операционная система, программы-драйверы управления периферийными устройствами и ряд других служебных программ и оперативных настроек системы. В ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) ROM BIOS персонального компьютера хранятся, в основном, служебные программы-драйверы, необходимые, по крайней мере, для загрузки операционной системы. ПЗУ нужно потому, что ОЗУ, выполняемое обычно на динамических полупроводниковых элементах памяти, при выключении питании компьютера теряет всю информацию.

Система ввода-вывода в компьютерах, в свою очередь, распадается на подсистемы: консоли (KBD и видеоподсистема), дисковую подсистему, коммуникационные COM- и LPT-порты и т. д.

Несколько слов о консоли. Видеомонитор и клавиатура по традиции, берущей начало от системы IBM-360 и ЕС ЭВМ, принято называть консолью ЭВМ или ПЭВМ. Это уже давно устоявшееся название используется и сейчас. Так, в ROM BIOS PCDOS есть драйвер CON (Console) – системный драйвер клавиатуры и дисплея.

Конструктивно подсистемы видео, дисковая, коммуникации, периферийных устройств и клавиатура, в большинстве случаев, располагаются не на системной плате и соединяются с ней посредством системной шины через разъемы – слоты расширения. Именно это и позволяет аппаратно реконфигурировать систему, подключая, при необходимости, к слотам расширения системной шины разные виды контроллеров, адаптеров, а к ним – и нужные устройства ввода-вывода. Впрочем, отдельные типы РС, такие как LapTop, Note-Book имеют встроенные видеосистему, клавиатуру, дисковую систему, а некоторые из моделей и DeskTop, выполняющиеся по принципу BabyBoard, имеют непосредственно на системной плате многие из контроллеров ВУ и ПУ и даже НЖМД. Это ухудшает способность РС к реконфигурированию, но снижает себестоимость и, соответственно, цену РС.

Контрольные вопросы.

1. Каково назначение АЛУ?

2. Каково назначение блока УУ?

3. Где, по фон-Нейману, должна находиться программа для автоматического выполнения вычислений?

4. Для чего предназначены блоки Увв и Увыв?

5. Как может быть реализован блок УУ?

6. Какие пять основных частей составляют компьютер?

7. Какие основные функции возложены на CPU?

8. Какое конструктивное решение позволяет легко реконфигурировать РС?

9. Что понимается под аппаратной конфигурацией и реконфигурацией компьютера?

10. Какие устройства входят в понятие консоли ЭВМ и ПЭВМ?

1.2 Структурная схема PC/AT

Типичная структурная схема РС/АТ в развернутом виде представлена на рисунке 1.2.

Центральным устройством, осуществляющим все вычислительные функции, функции управления и синхронизации работы всех подсистем РС, является CPU, содержащий АЛУ, регистровую память, дешифратор команд, микропрограммное устройство управления и, в последних версиях CPU “Pentium”, буферную (кэш) память.

┌──┬──────────┐
┌─────┐ ┌────┐ │ │controllers
│ PS │─> │GCLK│─> ┌ ─ ─ ─ ┐ │ │ ┌───┐ │ ┌──────┐
└─────┘ └────┘ FPU │ S│<─┤CGA│────>│ MON-C│
│ ┌───┴──┐ │ L│ └───┘ │ └──────┘
└ ─ │ CPU │ SB │ O│ ┌───┐ │ ┌──────┐
│ │<─┬────>│ T│<─┤MDA│────>│ MON-M│
┌────────┐ └─┬────┘ │ │ S│ └───┘ │ └──────┘
│ DRAM │───────│LB │ │ │ ┌───┐ │ ─────┐
└────────┘ ┌────┴────┐ │ │ │<─┤COM├────>/ Mouse│
│ROM BIOS │ │ │ │ └───┘ │ └──────┘
┌─────┐ └─────────┘ │ │ │ ┌───┐ │ ┌────
┌─────┐ │contr│ │ │ │<─┤LPT├────>│ PRN \
│ KBD │<──>│ KBD │<──────────────┘ │ │ └───┘ │ └─────┘
└─────┘ └─────┘ │ │ │ ┌────┐
│ │ ┌──>│ CD │
│ │ ││ └────┘
│ │ ││ ┌────┐
│ │ ├──>│ PU │
│ │ ┌───┐ ││ └────┘
│ │<-│APU│─>││ ┌────┐
│ │ └───┘ ├──>│FDD │
│ │ ││ └────┘
│ │ ││ ┌────┐
│ │ └──>│HDD │
└──┴──────────┘ └────┘

Рисунок 1.2. Блок-схема РС/АТ.

Здесь

PS (Power Supply) – блок питания.

GCLK – генератор тактовых импульсов. GCLK и PS изображены отдельно, так как их функции, сигналы и взаимосвязи с остальными блоками очевидны.

FPU (Floating Point Unit – устройство плавающей точки) – математический сопроцессор. FPU предназначается для выполнения операций с плавающей точкой и вычислений: тригонометрических функций, логарифмов и т. п.

DRAM и ROM BIOS – оперативная и постоянная память компьютера, соответственно.

contr KBD (Controller KeyBoard) – контроллер клавиатуры. Изображенный на блок-схеме контроллер клавиатуры в слот расширения не вставляется, а смонтирован непосредственно на системной плате, но связан все-таки непосредственно с системной шиной (SB), из которой и образованы щелевыми разъемами слоты расширения системной шины.

В слоты расширения (Slots) вставляются дочерние карты-контроллеры внешних устройств: мониторов (CGA, MDA), манипуляторов (COM), принтеров (LPT) или адаптеры других периферийных устройств (APU) – жестких дисков, дисководов и т. д. К этим картам и подключаются соответствующие внешние устройства. Например, мониторы цветной (MON-C), монохромный (MON-M), манипулятор (Mouse), принтер (PRN), дисковод компакт-дисков (CD), накопители на гибких (FDD) и жестких (HDD) дисках и другие периферийные устройства (PU), входящие в данную аппаратную конфигурацию рабочей (компьютера).

Базовый комплект персонального компьютера включает в себя три блока:

- системный блок,

- клавиатуру,

- видеодисплей.

По конструкции системные блоки (SU – SystemUnit) могут быть:

- настольные (Desk Top),

- напольные (Desk Size),

- вертикальные (Tower),

- переносные (Lap Top, Brief-Case-Size),

- миниатюрные (Book-Size, Pocket, Hand-Held, Note-Book).

Системный блок (SU) всегда содержит:

- системную плату (SB – System Board), объединяющую вокруг локальной шины (LB) микропроцессора все электронные компоненты подсистем и периферийных устройств ввода-вывода,

- импульсный блок питания (Power Supply),

- устройства подсистемы внешних запоминающих устройств (ВЗУ),

- систему принудительного охлаждения (вентиляции),

- набор карт адаптеров УВВ (I/O Card Adapter), устанавливаемых в разъемах расширения системной шины, но в некоторых типах РС адаптеры УВВ могут быть установлены и прямо на SB.

ПЭВМ на базе CPU i386 могут быть организованы по следующим архитектурным стандартам:

Архитектура AT BUS (имеющая и другое обозначение: ISA – Industry Standard Architecture).

AT BUS имеет большую армию производителей клонов IBM PC/AT, использующих, для индустрии ПЭВМ среднего класса, отлаженные технологические линии производства всех компонент ПЭВМ. Рынок ПЭВМ был быстро освоен копировщиками клонов, благодаря принципам модульности, унификации, открытости архитектуры, способности к модернизации и сравнительной дешевизне ПЭМВ, при хороших потребительских показателях подсистем оборудования. Данная архитектура предполагает, для развертывания подсистемы ввода-вывода, наличие на SB группы из трех типов разъемов, дополняющих друг друга. Первый из них – 62-контактный, практически полностью перенесенный из клона IBM XT. Второй разъем – 36-контактный, дополняющий первый по линиям адреса до 24, данных – до 16, в нем имеются также дополнительные линии подсистем ПДП и прерываний. Третий разъем не стандартизован. Он может быть представлен различными вариантами расширений до 32-битовых линий данных, при установке дополнительной памяти, либо спецификацией локальной шины VL BUS (предложена ассоциацией по стандартизации в области видео электроники VESA).

Архитектура MCA (Micro Channel Architecture).

Эта шина предназначается для высокопроизводительных высокоскоростных систем. Организация обмена по 32-битовой шине варьируется различными способами информационного обмена, наиболее скоростной из которых – пакетный. Система имеет большой резерв для усовершенствования, и нашла применение в технологических линиях производства PS/2 и Power Station Server, фирмы IBM. Наряду с многочисленными достоинствами архитектуры, в МСА имеется ряд существенных недостатков. Например, далеко не все типы карт расширения для подключения УВВ можно установить в разъемы МСА, логический и физический интерфейс не совместимы с архитектурой ISA, и ряд других ограничений.

Архитектура EISA (Extended ISA).

Это усовершенствованная шина АТ BUS. Группа основных производителей клона IBM PC (кроме фирмы IBM), с целью создания шины, конкурентоспособной шине МСА, разработала свою архитектуру шины – EISA. Эта шина, в отличие от MCA, совместима с AT BUS и, вместе с тем, тоже способна работать в высокоскоростных мультипроцессорных системах. Многократные тестирования, проведенные независимыми экспертами, в итоге не позволили выявить шину-лидера в споре МСА с EISA, но отечественные пользователи предпочитают последнюю. Впрочем, в современных моделях ПЭВМ используются, наравне с шиной EISA, и более новые стандарты шин, такие как PCI и USB. В большинстве системных плат современных РС все же оставляют 2-3 разъема с архитектурой EISA, для возможности подключения карт адаптеров старых моделей.

Контрольные вопросы.

1. Какие блоки обязательно входят в минимальный базовый комплект РС?

2. Как различаются РС по конструктивному исполнению?

3. Какие функциональные устройства должен содержать системный блок?

4. По каким архитектурным стандартам может быть организована ПЭВМ на базе CPU i386?

5. В чем достоинства и недостатки архитектуры ISA?

6. Почему архитектура МСА не получила широкого применения?

7. Какие преимущества имеет архитектура EISA?

Дата добавления: 2014-11-25