Конспект лекций по дисциплине. «Аппаратные и программные средства

«Аппаратные и программные средства

персональных компьютеров»

Автор: Троянский А.В., доц. каф. РТС

Часть 1. Устройство и общая архитектура

персонального компьютера

Лекция 1. Основные понятия и определения дисциплины

1.1. Что такое персональный компьютер

Компьютер представляет собой устройство, способное исполнять четко определенную последовательность операций, предписанную программой. Понятие «компьютер» является более широким, чем «электронно-вычислительная машина» (ЭВМ), поскольку в последнем явный акцент делается на вычисления.

Персональный компьютер (ПК) характерен тем, что им может пользоваться один человек, не прибегая к помощи бригады обслуживающего персонала и не отводя под него специального зала с особым климатом, мощной системой электропитания и прочими атрибутами больших вычислительных машин. Персональный компьютер обычно в значительной степени 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 посредством дисплея, клавиатуры и мыши до устройств виртуальной реальности, в которых пока не задействованы, наверное, только запахи.

1.2. Зачем необходим персональный компьютер радиоинженеру?

· продвинутый пользователь:

1) офисные приложения для подготовки документации: Office2007, XP;

2) специализированные пакеты:

- для математических и физических расчетов: MathCAD, MathLab;

- для схемотехнического моделирования: MicroCAP, Circuit Maker;

- для конструирования: PCAD, OrCAD, AutoCAD;

3) универсальные языки программирования: C++, HTML;

4) сборка оптимальных конфигураций ПЭВМ.

· менеджмент и эксплуатация компьютеров и компьютерных систем:

1) менеджер-консультант по аппаратным средствам ПЭВМ;

2) системный администратор.

· разработка цифровых систем на базе ПЭВМ.

1.3. Персональные компьютеры, совместимые с IBM PC

В начале 80-х годов фирма IBM разработала стандарт персонального компьютера PC. Ожидалось, что он просуществует несколько лет. Однако стандарт успешно развивался, и в начале 90-х годов в мире существовало более 10 млн. персональных компьютеров. В настоящее время в мире эксплуатируется более миллиарда компьютеров и считается, что стандарт PC просуществует еще не одно десятилетие.

Когда используется аббревиатура PC (Personal Computer), подразумевается ПК, совместимый с самым массовым семейством персональных компьютеров фирмы IBM и их клонов. Конечно же, это не единственное в мире семейство – есть множество других достойных компьютерных линий.

Персональные компьютеры, совместимые с IBM PC, делятся на несколько поколений (или классов), которые начинались со следующих «исторических» моделей:

· IBM PC первой модели: процессор Intel 8088, адресуемая память – 1 Мбайт, шина расширения – ISA (8 бит), накопители на гибких дисках (НГМД) – до 360 Кбайт;

· IBM PC/XT (extended Technology – расширенная технология) – все то же, но с винчестерами (накопителями на жестких дисках, НЖМД) и возможностью 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 32-разрядным (уже класса Р6 и выше), а теперь уже и 64-разрядным; память адресуется в пространстве до 4 или 64 Гбайт (и больше); применяются более эффективные шины расширения (PCI, PCI-X и PCI Express) с сохранением (и то уже не всегда) ISA для совместимости со старыми адаптерами; расширяется состав устройств, имеющих системную поддержку.

Компьютеры выпускаются в разных исполнениях – от настольных (напольных) до блокнотных, причем их предельные возможности не так уж сильно различаются. Есть и специальные конструкции для встраивания в технологическое и иное оборудование.

1.4. Конструктивные особенности персональных компьютеров

Персональный компьютер общего назначения имеет как минимум три составные части – системный блок, клавиатуру и дисплей. Клавиатуру с дисплеем можно назвать одним словом – консоль («выступающая» часть компьютера, обращенная к оператору-пользователю). Этот минимум может расширяться дополнительными устройствами: манипуляторами (мышь, трекбол, джойстик), устройствами вывода (принтер, плоттер), устройствами ввода (сканер, считыватели штрих-кодов и магнитных карт), мультимедийными устройствами (аудио и видео), дополнительными устройствами хранения данных (стример, дисковые устройства), коммуникационными устройствами (модем, адаптер локальной сети, телефон) и рядом других. Эти дополнительные устройства либо встраиваются в системный блок, либо являются отдельными «коробками», подключаемыми к системному блоку.

Настольные компьютеры

Конструктивные решения, заложенные в первую модель IBM PC образца 1981 года, без каких-либо революционных изменений дошли до наших дней. В классическом варианте исполнения PC состоит из системного блока, к которому подключаются клавиатура, видеомонитор и все периферийные устройства. В системном блоке расположена системная (system board), или материнская (motherboard), 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 (bay) для установки дисковых накопителей и других периферийных устройств трех- и пяти-дюймового формата, а также блок питания. На задней стенке корпуса имеются отверстия для разъемов клавиатуры и некоторых других, а также щелевые прорези, через которые из корпуса выходят внешние разъемы, установленные на платах расширения. Плата (карта) расширения имеет краевой печатный разъем, которым она соединяется со слотом шины ввода-вывода, и металлическую скобу, закрепляющую плату на корпусе. На этой скобе могут быть установлены внешние разъемы.

Габаритные и присоединительные размеры плат, способы их крепления и шины ввода-вывода унифицированы. Это превращает персональный компьютер в увлекательный конструктор, в который «играют» миллионы пользователей.

Малогабаритные компьютеры

Помимо настольных (напольных) стационарных PC 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 являлась крышкой. Вес машины был внушительным (из-за прочного стального корпуса), а питание могло подаваться только от сети. Несколько позже появились компьютеры класса Laptop («наколенные»), которые имели вид небольшого портфеля-дипломата. Они уже были оборудованы плоскими жидкокристаллическими мониторами и имели возможность работы от встроенных аккумуляторов. Каждый разработчик делал эти машины по-своему, поэтому об их открытости и модернизируемости говорить не приходится.

Более компактны машины класса Note Book (блокнотные ПК, или ноутбуки), линии которых успешно развиваются в настоящее время. Свое название они получили за форму, напоминающую раскрытый блокнот: нижняя часть – системный блок с клавиатурой, верхняя (откидная) часть – матричный (ЖК) экран с типовым размером 14-15 дюймов. Так что габариты их (примерно 25х30 см в плане) соответствуют довольно большому блокноту.

Есть и субноутбуки – их размеры уменьшены примерно до 18х25 см. В блокнотных ПК уже достигнута унификация модулей их функционального расширения в виде стандарта PC Card, который ранее назывался PCMCIA. Для них существуют специальные малогабаритные винчестеры и приводы CD/DVD, а также малогабаритные модули памяти. Компоненты, используемые в этих ПК, отличаются пониженным энергопотреблением, которое достигается либо ценой снижения производительности, либо за счет более дорогих технологий. Для подключения внутренних периферийных адаптеров используются стандартные конструктивы Mini PCI и Small PCI.

По характеристикам блокнотные компьютеры не слишком отстают от своих настольных собратьев, но они дороже в несколько раз (главным образом, из-за дисплея). Важными параметрами блокнотных ПК являются габариты, масса и длительность автономной работы. Последние два параметра определяются уровнем технологии энергосбережения и применяемого аккумулятора. Для энергосбережения используются технологии динамического управления потреблением и производительностью. За энергосбережение приходится расплачиваться некоторой медлительностью (задержками реакции, но не низкой производительностью) этих компьютеров.

В блокнотных компьютерах системный блок, дисплей, клавиатура и манипулятор совмещены в одном корпусе, дисплеем является откидная крышка. В качестве манипулятора раньше использовали трекбол, в современных моделях применяют малогабаритную сенсорную панель (touch pad), чувствительную к прикосновению. В корпус, как правило, встроен привод CD/DVD и, конечно же, малогабаритный винчестер, причем немалой емкости. Дисковод для гибких дисков (3,5") на современные компьютеры уже не ставят, при необходимости можно воспользоваться внешним устройством, подключаемым к USB (или к разъему LPT-порта).

Для расширения функциональных возможностей имеется одно или несколько гнезд PC Card. В формате PC Card популярны модемы, адаптеры локальных сетей, карты с флэш-памятью (электронные диски объемом в десятки и сотни мегабайт), контроллеры SCSI для подключения внешней периферии и другие устройства. Для PCI Express предусмотрен также формат гнезд Express Card. Современные компьютеры имеют богатый набор внешних интерфейсов: шины USB и Fire Wire, проводные (Ethernet) и беспроводные (Wi-Fi) интерфейсы локальной сети и подключения периферийных устройств (радиоинтерфейс BlueTooth, инфракрасный порт IRDA), разъем подключения телефонной линии (для встроенного модема). Из традиционных интерфейсов присутствует LPT-порт; СОМ-порты и разъемы клавиатуры и мыши PS/2 встречаются уже редко (их заменяет USB). Обычно на компьютере устанавливают разъем (VGA) для подключения внешнего монитора или проектора. Для мультимедийного оборудования компьютеры снабжают соответствующими аудио- и видео-разъемами.

Для длительной работы в стационарных условиях многие пользователи предпочитают стандартные внешние клавиатуры и мыши – эти устройства все-таки удобнее, чем их компактные версии, встроенные в блокнотные ПК. Для упрощения подключения стационарной периферии можно использовать переходник Port Bar – это блок со стандартными периферийными разъемами, подключаемый к блокнотному ПК всего одним (но нестандартным, фирменным) разъемом.

Многие блокнотные ПК можно подключать к специальным док-станциям, которые доводят возможности блокнотных ПК до уровня обычных настольных. Док-станция является блоком расширения – она имеет обычные слоты расширения с шинами ISA и PCI, периферии у которых больше, – и гораздо доступнее по цене. Шины док-станции соединяются с блокнотным ПК через специальные мосты. Док-станция не имеет своего процессора и оперативной памяти – работает «центр» блокнотного ПК. Она может быть оборудована дополнительными устройствами внешней памяти, которые расширяют объем доступной дисковой памяти ПК. Док-станции часто подключают к локальной сети офиса.

Дальнейшая миниатюризация компьютеров привела к появлению их совсем маленьких версий – Palm-Top («наладонные»), которые, как и следует из названия, умещаются на ладони или в кармане – КПК (карманные ПК). Эти компьютеры, конечно, имеют не очень много общего с «классической» архитектурой PC, но вполне способны исполнять специально под них адаптированные офисные приложения. Существует также класс специализированных устройств PDA (Personal Digital Assistant – персональный электронный секретарь) – например, электронные словари, записные книжки и т.п. Очень удобно, когда эти миниатюрные компьютеры можно подключать к настольным или блокнотным для обмена данными.

В карманных компьютерах нет места для клавиатуры, ее заменяет сенсорный экран – комбинация дисплея и сенсорной панели. Эта панель чувствительна к прикосновению специальным пером (stilus). Для ввода текста можно вывести на экран изображение клавиатуры и набирать текст прикосновением к соответствующим нарисованным «клавишам». Возможен и графический ввод текста: пользователь пишет буквы на панели, их образ распознается и преобразуется в текстовые символы.

Планшетные ПК (TabletPC) – нечто среднее (по размеру) между КПК и блокнотными ПК. У них уже довольно большой экран, совмещенный с сенсорной панелью. Такие компьютеры предназначены для чтения электронных книг, для просмотра веб-страниц, для рисования – хорошие сенсорные панели распознают не только факт прикосновения, но и степень нажатия на панель. Как правило, планшет сопровождается специальным электронным пером, которое приходится держать в руках, что не всегда удобно. У чисто планшетных ПК клавиатуры нет (есть всего несколько кнопок управления), как нет винчестера и приводов оптических дисков. Эти внешние устройства становятся доступными при наличии док-станции, к которой подключается планшетный ПК (если предусмотрено конструкцией). Выпускаются и компьютеры-гибриды, а также трансформеры, которые могут рассматриваться как планшеты с клавиатурой или как блокнотный ПК с сенсорным экраном. Расплатой за многофункциональность экрана, сочетающего в себе ЖК-матрицу и сенсорную панель, как правило, является уменьшение угла обзора экрана (и так не очень широкого в ЖК-панелях).

Промышленные и инструментальные компьютеры

Компьютеры для промышленного применения обобщенно называются Industrial PC. Здесь, конечно же, под PC понимается не персональный (как таковой) компьютер, а компьютер, совместимый с IBM PC. Такие компьютеры предназначены для особых (не офисных) условий эксплуатации. Промышленному компьютеру по роду службы приходится располагаться поблизости от подконтрольного объекта, в той или иной степени разделяя его условия существования (в противном случае компьютер можно было бы установить в уютном офисе с обычными условиями эксплуатации).

Условия эксплуатации могут быть тяжелыми в смысле климата – температуры, влажности, пыли, осадков и т. п. Компьютер может подвергаться механическим воздействиям – вибрации, ударам, ускорению. Химическое воздействие подразумевает, например, агрессивные пары и газы. Неблагоприятное соседство с электропотребителями (мощными контакторами, сварочными аппаратами, печами) вызывает как электромагнитные возмущения, так и осложнения с питанием. Уже перечисленных невзгод достаточно, чтобы испугаться за «здоровье» нежного настольного компьютера, попавшего в такие условия. Добавим еще, что может потребоваться подключение к промышленному компьютеру большого числа цепей связи с объектом, для которых на задней панели PC просто не хватит места под разъемы, а на системной плате не хватит слотов для интерфейсных карт сопряжения. И наконец, конструкция должна обеспечивать минимальное время поиска и устранения неисправностей, которые неизбежны даже при самом высоком уровне надежности. К инструментальным компьютерам, в основном предназначенным для сбора и обработки информации о каком-либо сложном объекте (например, экспериментальной установке), предъявляются похожие требования; правда, внешние условия, как правило, помягче.

Для соответствия этим требованиям конструктив PC должен быть заметно преображен. В PC объединение модулей (интерфейсных карт) осуществляется через системную плату, на которой сейчас размещают практически все основные и жизненно важные компоненты, от процессора до большинства стандартных интерфейсных адаптеров. И эта сложнейшая плата оказывается на самом дне корпуса, «погребенная» под установленными в нее интерфейсными картами и подсоединенными кабелями. Если она откажет, то для замены или ремонта компьютер придется разобрать полностью, что делается не так-то быстро. Чтобы избежать таких затруднений, в промышленных и инструментальных компьютерах функцию объединения модулей выполняет пассивная кросс-плата (passive backplane). Точный перевод названия указывает на местоположение этой платы в конструктиве – заднюю плоскость. На такой плате устанавливают только разъемы подключения функциональных модулей и блока питания. Все функциональные модули устанавливаются в блок спереди и объединяются ме­жду собой магистральной шиной кросс-платы. Внешние подключения к модулям осуществляют либо со стороны лицевой панели модулей, либо с задней стороны кросс-платы через контакты разъемов, не используемых под магистральные шины.

Функциональные модули могут иметь различное назначение, но главным является, конечно же, процессорный модуль. Современные процессорные модули функционально идентичны традиционным системным платам с интегрированной периферией. На них устанавливают процессоры от 386 до Pentium II/III, «золотой серединой» являются экономичные и эффективные процессоры классов 486 и Pentium. Периферийные модули выполняют функции аналогового и цифрового ввода-вывода, и из широкого ассортимента выпускаемых модулей всегда можно набрать комплект, «персонально» подходящий к компьютеризуемому объекту.

Как и для традиционных (настольных) ПК, в данной отрасли существуют стандарты на конструктивы и, конечно же, стандарты на объединительные шины.

Контрольные вопросы

1. Зачем необходимо знание аппаратной и программной части ПК?

2. Каковы отличительные особенности компьютеров семейства PC?

3. Настольные компьютеры семейства PC.

4. Малогабаритные компьютеры семейства PC.

5. Промышленные и инструментальные компьютеры семейства PC.

Лекция 2. Общая структура персонального компьютера

Любой IBM PC-совместимый компьютер представляет собой реализацию так называемой фон-неймановской архитектуры вычислительных машин. Эта архитектура была представлена Джорджем фон Нейманом (George von Neumann) еще в 1945 году и имеет следующие основные признаки. Машина состоит из блока управления, арифметико-логического устройства (АЛУ), памяти и устройств ввода-вывода. В ней реализуется концепция хранимой программы: программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Выполняемые действия определяются блоком управления и АЛУ, которые вместе являются основой центрального процессора.

Фон-неймановская архитектура – не единственный вариант построения ЭВМ, есть и другие, которые не соответствуют указанным принципам (например, потоковые машины). Однако подавляющее большинство современных компьютеров основаны именно на указанных принципах, включая и сложные многопроцессорные комплексы, которые можно рассматривать как объединение фон-неймановских машин. Конечно же, за более чем полувековую историю ЭВМ классическая архитектура прошла длинный путь развития. Тем не менее ПК можно «разложить по полочкам» следующим образом.

2.1. Центральный процессор CPU

Центральный процессор выбирает и исполняет команды из памяти последовательно, адрес очередной команды задается «счетчиком адреса» в блоке управления. Этот принцип исполнения называется последовательной передачей управления. Данные, с которыми работает программа, могут включать переменные – именованные области памяти, в которых сохраняются значения с целью дальнейшего использования в программе.

Центральный процессор (АЛУ с блоком управления) реализуется микропроцессором семейства х86 – от 8086/88 до новейших процессоров Pentium, Athlon и Opteron (и это не конец истории). При всей внутренней суперскалярности и суперконвейеризированности современного процессора внешне он соблюдает вышеупомянутый принцип последовательной передачи управления.

Набор арифметических, логических и прочих инструкций насчитывает несколько сотен, а для потоковой обработки придуман принцип SIMD (Single Instruction Multiple Data – множество комплектов данных, обрабатываемых одной инструкцией), по которому работают расширения ММХ, 3DNow!, SSE.

Процессор имеет набор регистров, часть которых доступна для хранения операндов, выполнения действий над ними и формирования адреса инструкций и операндов в памяти. Другая часть регистров используется процессором для служебных (системных) целей, доступ к ним может быть ограничен (есть даже программно-невидимые регистры).

Все компоненты компьютера представляются для процессора в виде наборов ячеек памяти или/и портов ввода-вывода, в которые процессор может записывать и/или из которых может считывать содержимое.

2.2. Элементы памяти

Память «расползлась» по многим компонентам. Оперативная память (ОЗУ) – самый большой массив ячеек памяти со смежными адресами – реализуется, как правило, на модулях (микросхемах) динамической памяти. Для повышения производительности обмена данными (включая и считывание команд) оперативная память кэшируется сверхоперативной памятью. Два уровня кэширования территориально располагаются в микропроцессоре. Оперативная память вместе с кэшем всех уровней (в настоящее время – до трех) представляет собой единый массив памяти, непосредственно доступный процессору для записи и чтения данных, а также считывания программного кода.

Помимо оперативной память включает также постоянную (ПЗУ), из которой можно только считывать команды и данные, и некоторые виды специальной памяти (например, видеопамять графического адаптера). Вся эта память (вместе с оперативной) располагается в едином пространстве с линейной адресацией. В любом компьютере обязательно есть энергонезависимая память, в которой хранится программа начального запуска компьютера и минимально необходимый набор сервисов (ROM BIOS).

Процессор (один или несколько), память и необходимые элементы, связывающие их между собой и с другими устройствами, называют центральной частью, или ядром, компьютера (или просто центром). То, что в фон-неймановском компьютере называлось устройствами ввода-вывода (УВВ), удобнее называть периферийными устройствами.

2.3. Периферийные устройства

Периферийные устройства (ПУ) – это все программно-доступные компоненты компьютера, не попавшие в его центральную часть. Их можно разделить по назначению на несколько классов:

· Устройства хранения данных (устройства внешней памяти) – дисковые (магнитные, оптические, магнитооптические), ленточные (стримеры), твердотельные (карты, модули и USB-устройства на флэш-памяти). Эти устройства используются для сохранения информации, находящейся в памяти, на энергонезависимых носителях и загрузки этой информации в оперативную память. В каком виде хранится информация на этих устройствах, нам не так уж важно (главное – правильно считать то, что сохранили).

· Устройства ввода-вывода служат для преобразования информации из внутреннего представления компьютера (биты и байты) в форму, понятную окружающим, и обратно. Под окружающими подразумеваются человек (и другие биологические объекты) и различные технические устройства (компьютер можно приспособить для управления любым оборудованием, были бы датчики и исполнительные устройства). В какую форму эти устройства преобразуют двоичную информацию – определяется их назначением.

· Коммуникационные устройства служат для передачи информации между компьютерами и/или их частями. Сюда относят модемы (проводные, радио, оптические, инфракрасные и т.д.), адаптеры локальных и глобальных сетей. В данном случае преобразование формы представления информации требуется только для передачи ее на расстояние.

Процессор, память и периферийные устройства взаимодействуют между собой с помощью шин и интерфейсов (аппаратных и программных), стандартизация интерфейсов делает архитектуру компьютеров открытой.

2.4. Устройства ввода-вывода и коммуникаций

Устройства ввода-вывода связывают компьютер с внешним миром, без них он был бы «вещью в себе». Список устройств, делающих компьютер «вещью для нас», практически не ограничен. К ним относятся дисплеи (устройства отображения, то есть вывода), клавиатура и мышь (устройства ввода), принтеры и сканеры, плоттеры и дигитайзеры, джойстики, акустические системы и микрофоны, телевизоры и видеокамеры и прочие устройства в великом множестве их разновидностей. Любопытно, что в этих парах обычно лидируют устройства вывода, появившиеся в компьютерах раньше соответствующих устройств ввода.

Благодаря фантазии и техническому прогрессу появляются все новые и новые устройства; так, например, шлем виртуальной реальности из области фантастики перешел в производственно-коммерческую область. К компьютеру можно подключать датчики и исполнительные устройства технологического оборудования, различные приборы – в общем, все, что в итоге может вырабатывать электрические сигналы и/или ими управляться.

Коммуникационные устройства связывают компьютеры (и другие устройства) в сложные системы, составные части которых могут находиться довольно далеко друг от друга. Коммуникационные устройства обеспечивают передачу информации самого разного назначения. К этим устройствам относятся модемы, адаптеры локальных и глобальных сетей. Соответствующий набор устройств ввода-вывода и коммуникаций позволяет превратить персональный компьютер, например, в факс-машину, аппарат IP-телефонии (голосовой) или видео-конференцсвязи.

2.5. Адаптеры, контроллеры и иерархия подключений периферийных устройств

Компоненты компьютера соединяются друг с другом иерархией средств подключения, наверху которой стоят интерфейсы системного уровня подключения. Для этой группы интерфейсов характерно то, что в их транзакциях фигурируют физические адреса пространства памяти и (если есть) пространства ввода-вывода. Группа связанных между собой интерфейсов системного уровня образует логическую системную шину компьютера. Системную шину составляют следующие физические интерфейсы:

· шина подключения центрального процессора (или нескольких процессоров в сложных системах) – FSB (Front Side Bus – фасадная шина);

· шина подключения контроллеров памяти, оперативной и постоянной; собственно шина памяти (memory bus) системной уже не является, поскольку в ней фигурируют не системные адреса, а адреса физических банков памяти;

· шины ввода-вывода, обеспечивающие связь между центральной частью компьютера и периферийными устройствами.

Типичные представители шин ввода-вывода в IBM PC – шина ISA (отмирающая), а также шины PCI (развивающаяся в PCI-X) и PCI-E (PCI Express). Через шины ввода-вывода проходят все обращения центрального процессора (ЦП) к периферии. К шинам ввода-вывода подключаются контроллеры и адаптеры периферийных устройств или их интерфейсов.

Адаптер является средством сопряжения какого-либо устройства с какой-либо шиной или интерфейсом компьютера. Контроллер служит тем же целям сопряжения, но при этом подразумевается его некоторая активность – способность к самостоятельным действиям после получения команд от обслуживающей его программы. Сложный контроллер может иметь в своем составе и собственный процессор. На эти тонкости терминологии не всегда обращают внимание, и понятия «адаптер» и «контроллер» считают почти синонимами. Для взаимодействия с периферийными устройствами процессор обращается к регистрам контроллера (адаптера), «представляющего интересы» подключенных к нему устройств.

Часть периферийных устройств (ПУ) совмещена со своими контроллерами (адаптерами), как, например, сетевой адаптер Ethernet, подключенный к шине PCI. Другие же ПУ подключаются к своим контроллерам через промежуточные периферийные интерфейсы, находящиеся на нижнем уровне иерархии подключений. Периферийные интерфейсы – самые разнообразные из всех аппаратных интерфейсов. К периферии, подключаемой через промежуточные интерфейсы, относятся большинство устройств хранения (дисковые, ленточные), устройств ввода-вывода (дисплеи, клавиатуры, мыши, принтеры, плоттеры), ряд коммуникационных устройств (внешние модемы).

Для взаимодействия с программой (с помощью процессора или сопроцессоров) адаптеры и контроллеры обычно имеют регистры ввода-вывода, управления и состояния, которые могут располагаться либо в адресном пространстве памяти, либо в пространстве портов ввода-вывода. Кроме того, используются механизмы аппаратных прерываний для сигнализации программе о событиях, происходящих в периферийных устройствах. Для обмена информацией с устройствами применяют также механизмы прямого доступа к памяти (Direct Memory Acces – DMA) и прямого управления шиной. Контроллер, который способен инициировать транзакции на системной шине, является активным компонентом компьютера. С помощью транзакций он может обращаться к другим устройствам (точнее, их контроллерам или адаптерам), обеспечивая равноранговое взаимодействие. Чаще всего ограничиваются взаимодействием контроллера с системной памятью (это проще).

Стандартная архитектура PC определяет набор обязательных средств ввода-вывода и средств поддержки периферии, включая систему аппаратных прерываний (i8259A), систему прямого доступа к памяти (i8237A), трехканальный таймер/счетчик (i8254), интерфейс клавиатуры и управления (i8042), канал управления звуком, память и часы CMOS. Также подразумевается, что все компоненты получают требуемое питание, что превращает весь этот набор компонентов в работоспособный компьютер. Конечно же, он должен быть дополнен периферией: дисплеем со своим адаптером, контроллерами шин периферийных устройств (ATA, SATA, SCSI, USB, FireWire), интерфейсов портов (COM, LPT, GAME...), дисководов, аудиосредств и пр.

Любой PC-совместимый компьютер имеет следующие характерные черты:

· процессор, программно совместимый с семейством х86 фирмы Intel;

· специфическую систему распределения пространства адресов памяти;

· традиционное распределение адресов пространства ввода-вывода с фиксированным положением обязательных портов и 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 (стандартных) устройств и интерфейсов ввода-вывода;

· унифицированные по конструктиву и интерфейсу шины расширения (ISA, EISA, MCA, VLB, PCI/PCI-X, PCI-E, PC Card, Card Bus), 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.

Контрольные вопросы

1. Каковы особенности фон-неймановской архитектуры вычислительных машин?

2. Назначение CPU в ПК.

3. Назначение периферийных устроойств в ПК.

4. Иерархия подключений периферийных устройств.

5. Назначение устройств ввода-вывода и коммуникаций в ПК.

Дата добавления: 2014-12-07