Структура персонального компьютера

Прикладной уровень.

Между прикладным и системным программным обеспечением существует тесная взаимосвязь. Универсальность вычислительной системы, доступность прикладных программ и широта функциональных возможностей компьютера непосредственно зависят от типа имеющейся операционной системы, системных средств, помещенных в ее ядро и взаимодействии комплекса человек-программа-оборудование.

Наряду с аппаратным и программным обеспечением средств ВС целесообразно рассматривать информационное обеспечение.

Под информационным обеспечением понимают совокупность программ и предварительно подготовленных данных для их работы. Например, для автоматической проверки орфографии в тексте выполняются операции сравнения лексических единиц исходного текста с эталонным массивом (словарем).

Персональный компьютер (ПК) с технической точки зрения можно определить как единую систему, представляющую собой набор сменных компонентов, соединенных между собой стандартными интерфейсами (рисунок 4.5).

Персональный компьютер включает в себя:

1) Системный блок:

1. корпус с блоком питания;

2. системную (материнскую) плату;

3. процессор;

4. оперативную память;

5. видеоконтроллер (видеокарта);

6. жесткий диск HDD;

7. оптический дисковод CD-ROM;

8. дисковод гибких дисков FDD;

9. привод CD/DVD;

10. звуковую карту;

11. сетевую карту.

2) монитор;

3) клавиатуру;

4) мышь.

4.4 Аппаратные средства реализации информационных процессов

Корпус ПК (системный блок) представляет собой узел для размещения остальных компонентов. По внешнему виду корпуса выпускаются двух видов: в горизонтальном (desktop) и в вертикальном исполнении (tower). Кроме формы для корпуса важным является параметр, называемый форм-фактором.

Форм-фактор (типоразмер) определяет размер, тип разъема питания, расположение элементов крепления, размещение разъемов интерфейсов и т. д. В основном используются корпуса двух форм-факторов AT и ATX. Форм-фактор корпуса должен быть обязательно согласован с форм-фактором (AT или ATX) системной платы. Корпусы вертикального выполнения могут иметь разные размеры: полноразмерный (BigTower), среднеразмерный (MidiTower), малоразмерный (MiniTower). Корпусы горизонтального выполнения бывают двух форматов: узкий (Full-AT) и очень узкий (Baby-AT).

Рисунок 4.5 – Компоненты компьютера

Системная (материнская) плата служит для объединения и организации взаимодействия компонентов ПК. Основные компоненты ПК, устанавливаемые на системной плате:

· процессор - основная микросхема, выполняющая математические и логические операции;

· чипсет (микропроцессорный комплект) - набор микросхем, которые руководят работой внутренних устройств ПК и определяют основные функциональные возможности материнской платы;

· шины - набор проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;

· оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) - набор микросхем, предназначенных для временного сохранения данных, пока включен компьютер;

· постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – микросхема BIOS, предназначенная для долговременного хранения данных, даже при отключенном компьютере;

· разъемы для подсоединения дополнительных устройств (слоты).

Основными параметрами системной платы являются: форм-фактор, системная шина, процессорный интерфейс, тип и объем поддерживаемой системной памяти, интерфейс видеоконтроллера, интерфейс ввода-вывода, тип BIOS (Basic Input Output System – базовая система ввода-вывода).

Эти параметры определяются чипсетом (базовым набором микросхем). С помощью чипсета материнская плата осуществляет контроль за процессами, происходящими внутри системного блока.

Главные составляющие чипсета называются мостами. Это две базовые микросхемы, одна из которых называется северным мостом (North Bridge), а вторая – южным мостом (South Bridge).

Северный мост объединяет между собой процессор, оперативную память, шину видеоконтроллера.

Южный мост отвечает за работу оптических дисководов, дисководов гибких дисков, жестких дисков, а также всех внешних (периферийных) устройств.

Системная шина – аппаратная магистраль (набор проводников), по которым происходит обмен данными между внутренними устройствами ПК. Характеристиками системной шины являются тактовая частота (пропускная способность) и разрядность (количество параллельных потоков данных).

Центральный процессор CPU (Central Processor Unit) – основная микросхема, в которой производятся все вычисления. Процессор состоит из логических элементов – транзисторов.

Основными характеристиками процессоров являются:

· тактовая частота (скорость работы),

· разрядность,

· рабочее напряжение,

· коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты,

· размер кэш памяти (объем буферной памяти).

§ Тактовая частота определяет количество элементарных операций (тактов), выполняемых процессором за единицу времени (количеством миллионов операций в секунду). Тактовая частота современных процессоров измеряется в МГц (1 Гц соответствует выполнению одной операции за одну секунду, 1 МГц=106 Гц). Чем больше тактовая частота, тем больше команд может выполнить процессор, и тем больше его производительность. Первые процессоры, которые использовались в ПК работали на частоте 4,77 МГц, сегодня рабочие частоты современных процессоров достигают отметки в 2 ГГц (1 ГГц = 103 МГц).

§ Разрядность CPU – количество бит данных, принимаемых и обрабатываемых в регистрах за один такт процессора. Разрядность процессора определяется разрядностью командной шины, то есть количеством проводников в шине, по которой передаются команды.

§ Рабочее напряжение процессора обеспечивается материнской платой, поэтому разным маркам процессоров отвечают разные материнские платы. Рабочее напряжение процессоров не превышает 3 В. Снижение рабочего напряжения разрешает уменьшить размеры процессоров, а также уменьшить тепловыделение в процессоре, что разрешает увеличить его производительность без угрозы перегрева.

§ Коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты - это коэффициент, на который следует умножить тактовую частоту материнской платы, для достижения частоты процессора. Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая из чисто физических причин не может работать на таких высоких частотах, как процессор. На сегодня тактовая частота материнских плат составляет 100-133 Мгц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение на коэффициент 4, 4.5, 5 и больше.

§ Кэш-память (Cashe-memory). Обмен данными внутри процессора происходит намного быстрее, чем обмен данными между процессором и оперативной памятью. Поэтому, для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают так называемую сверхоперативную или кэш-память. Когда процессору нужны данные, он сначала обращается к кэш-памяти, и только тогда, когда там отсутствуют нужные данные, происходит обращение к оперативной памяти. Чем больше размер кэш-памяти, тем большая вероятность, что необходимые данные находятся там. Поэтому высокопроизводительные процессоры имеют повышенные объемы кэш-памяти.

Различают кэш-память первого уровня (выполняется на одном кристалле с процессором и имеет объем порядка несколько десятков Кбайт), второго уровня (выполняется на отдельном кристалле, но в границах процессора, с объемом в сто и более Кбайт) и третьего уровня (выполняется на отдельных быстродействующих микросхемах с расположением на материнской плате и имеет объем один и больше Мбайт).

В процессе работы процессор обрабатывает данные, находящиеся в его регистрах, оперативной памяти и внешних портах процессора. Часть данных интерпретируется как собственно данные, часть данных - как адресные данные, а часть - как команды. Совокупность разнообразных команд, которые может выполнить процессор над данными, образовывает систему команд процессора. Чем больше набор команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее запись команд в байтах и тем дольше средняя продолжительность выполнения команд.

Микросхема BIOS – аппаратно-встроенное в компьютер программное обеспечение, предназначенное для тестирования и выдачи диагностических сообщений. Основная задача – передача начальных команд центральному процессору для загрузки операционной системы, эти операции выполняются сразу после включения ПК. BIOS представляет собой постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

ПЗУ (постоянное запоминающее устройство). Постоянная память ROM (Read Only Memory). Вторая составная часть основной памяти, предназначенной для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. В момент включения компьютера в его оперативной памяти отсутствуют любые данные, поскольку оперативная память не может сохранять данные при отключенном компьютере. Но процессору необходимы команды, в том числе и сразу после включения. Поэтому процессор обращается по специальному стартовому адресу, который ему всегда известен, за своей первой командой. Этот адрес указывает на память, которую принято называть постоянной памятью ROM или постоянным запоминающим устройством (ПЗУ). Микросхема ПЗУ способна продолжительное время сохранять информацию, даже при отключенном компьютере. Говорят, что программы, которые находятся в ПЗУ, "зашиты" в ней - они записываются туда на этапе изготовления микросхемы. Комплект программ, находящийся в ПЗУ образовывает базовую систему ввода/вывода BIOS (Basic Input Output System). ПЗУ предназначено для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации, позволяет ее только считывать: изменять ее нельзя.

Микросхема CMOS-памяти – энергонезависимая память, постоянно питающаяся от своего аккумулятора. В ней хранится информация об аппаратной конфигурации ПК(обо всей аппаратуре, имеющейся в компьютере), которая проверяется при каждом включении системы. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не исчезает при отключении компьютера, а от постоянной памяти она отличается тем, что данные можно заносить туда и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы. Микросхема памяти CMOS постоянно питается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. В этой памяти сохраняются данные про гибкие и жесткие диски, процессоры и т.д. Тот факт, что компьютер четко отслеживает дату и время, также связанн с тем, что эта информация постоянно хранится (и обновляется) в памяти CMOS. Таким образом, программы BIOS считывают данные о составе компьютерной системы из микросхемы CMOS, после чего они могут осуществлять обращение к жесткому диску и другим устройствам.

Оперативная память RAM (Random Access Memory) – массив кристаллических ячеек для временного хранения информации. Оперативная память (в сравнении с другими видами памяти) имеет наименьшее время доступа к данным. Эта память подразделяется на два типа – динамическую (DRAM) и статическую (SRAM). Ячейки динамической памяти можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать электрический заряд. В динамической памяти информация определяется наличием (или отсутствием) заряда конденсаторов, управляемых транзисторами. В статической памяти в триггере сохраняется не заряд, а состояние (включенный/выключенный). В статической памяти информация определяется состоянием триггера, реализованного на транзисторах.

Недостатки памяти DRAM: медленнее происходит запись и чтение данных, требует постоянной подзарядки. Преимущества: простота реализации и низкая стоимость. Ячейки статической памяти можно представить как электронные микроэлементы - триггеры, состоящие из транзисторов.

Преимущества памяти SRAM: значительно большее быстродействие. Недостатки: технологически более сложный процесс изготовления, и соответственно, большая стоимость. Микросхемы динамической памяти используются как основная оперативная память, а микросхемы статической - для кэш-памяти. Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, выраженный числом. Предельный размер объема памяти определяется чипсетом материнской платы и обычно составляет несколько сотен мегабайт. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате. Конструктивно модули памяти имеют два выполнения - однорядные (SIMM - модули) и двурядные (DIMM - модули). На компьютерах с процессорами Pentium однорядные модули можно применять лишь парами (количество разъемов для их установления на материнской плате всегда четное). DIMM - модули можно устанавливать по одному. Комбинировать на одной плате разные модули нельзя.

Основные характеристики модулей оперативной памяти:

- объем памяти,

- время доступа.

SIMM - модули имеют объем 4, 8, 16, 32, 64 мегабайт; DIMM - модули - 16, 32, 64, 128, 256, 512 Мбайт. Время доступа показывает, сколько времени необходимо для обращения к ячейкам памяти, чем меньше, тем лучше. Измеряется в наносекундах. SIMM - модули - 50-70 нс, DIMM - модули - 7-10 нс.

Шинные интерфейсы. Связь между собственными и подключаемыми устройствами системной платы выполняют шины и чипсеты. От архитектуры этих элементов зависит производительность ПК.

Шинный интерфейс (системная шина) – обеспечивает сопряжение и связь всех устройств ПК между собой. Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

· Между микропроцессором и основной памятью;

· Между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

· Между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств.

Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.

С внутренними компонентами ПК процессор связан шинами (рисунок 4.6):

- адресной шиной – для взаимодействия с оперативной памятью;

- шиной данных – для передачи данных из оперативной памяти и обратно;

- шиной команд – для приема команд из оперативной памяти.

Рисунок 4.6 – Магистрально-модульное устройство ПК

Адресная шина. Данные, которые передаются по этой шине трактуются как адреса ячеек оперативной памяти. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении – от процессора к оперативной памяти и к устройствам (однонаправленная шина). Именно из этой шины процессор считывает адреса команд, которые необходимо выполнить, а также данные, с которыми оперируют команды. Разрядность адресной шины определяется объемом адресуемой памяти (адресное пространство), т.е. количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле , где I – разрядность шины адреса. В современных процессорах адресная шина 36-разрядная (36 бит), то есть она состоит из 36 параллельных проводников.

Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и наоборот, т.е. данные передаются между различными устройствами в любом направлении. Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т.е. количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться и передаваться процессором одновременно. В ПК на базе процессоров Intel Pentium шина данных 64-разрядная. Это означает, что за один такт на обработку поступает сразу 8 байт данных.

Командная шина. По этой шине из оперативной памяти поступают команды, выполняемые процессором. Команды представлены в виде байтов. Простые команды вкладываются в один байт, но есть и такие команды, для которых нужно два, три и больше байта. Большинство современных процессоров имеют 32-разрядную командную шину, хотя существуют 64-разрядные процессоры с командной шиной.

Основные шинные интерфейсы:

Разъем или слот PCI (Peripheral Component Interconnect) - стандарт подключения внешних устройств, введенный в ПК на базе процессора Pentium. Служит для подсоединения внешних компонентов и в настоящее время является основным стандартом для подключения дополнительных плат. Скорость передачи данных по шине PCI – около 500 Мбайт/с. Интерфейс обеспечивает поддержку режима автоматической конфигурации компонентов при установке (Plag-and-Play).

Слот ISA (Industry Standard Architecture) – служит для подключения дополнительных плат. Ввиду низкой скорости передачи данных (5,5 Мбайт/с). В современных компьютерах может использоваться лишь для подсоединения внешних устройств, которые не требуют большей пропускной способности (звуковые карты, модемы и т.д.). На последних сериях системных плат не устанавливается.

Слот AGP (Accelerated Graphics Port) – ускоренный графический порт. Интерфейс предназначен исключительно для подключения видеоадаптеров к отдельной магистрали. Разработан в связи с тем, что параметры шины PCI не отвечают требованиям видеоадаптеров по быстродействию. Пропускная способность шины в режиме AGP/2x – до 500 Мбайт/с, AGP/4x – до 1066 Мбайт/с. Кроме видеоадаптеров другие компоненты к этому разъему подключать нельзя.

Интерфейс и порт IEEE 1394 (Institute of Electrical and Electronic Engineers). Служит для подключения внутренних компонентов ПК и внешних устройств (до 127 устройств на один порт). Скорость передачи данных по этой шине – 400 Мбит/с.

Интерфейс и последовательный порт USB (Universal Serial Bus). Интерфейс предназначен внешних устройств (до 127 устройств на один канал). Пропускная способность по шине USB составляет 12 Мбит/с. В настоящее время принята новая спецификация шины – USB 2, пропускная способность которой составляет 480 Мбит/c. Среди преимуществ этого стандарта следует отметить возможность подключать и отключать устройства в "горячем режиме" (то есть без перезагрузки компьютера), а также возможность объединения нескольких компьютеров в простую сеть без использования специального аппаратного и программного обеспечения.

Интерфейс IDE/ATA (Integrated Drive Electronics – встроенная электроника накопителя). Интерфейс предназначен для подключения жестких дисков и других накопителей (оптических, магнитооптических и других).

Порт PS/2. Разъемы этого типа предназначены для подключения к ПК клавиатуры и мыши.

Порт LPT (параллельный порт). Предназначен для подключения принтера.

Видеоконтроллер (видеоадаптер). Компонент ПК, который в совокупности с монитором образует видеоподсистему. Назначение видеоадаптера – работа с графикой, обработка сложных изображений и цветовых гамм. Основными характеристиками являются: тип чипсета, который отвечает за работу с двумерной и трехмерной графикой; объем и тип собственной оперативной памяти; частота графического чипа и памяти; поддержка 32-битного цвета.

Жесткий диск HDD (Hard Disk Drive). Данное устройство предназначено для долговременного хранения больших объемов данных и программ. Управление работой жесткого диска осуществляет специальное устройство – контроллер. Жесткий диск характеризуется типом интерфейса (IDE/ATA, SCSI, SATA), объемом хранимых данных (емкостью), скоростью поиска хранимых данных (временем доступа к ним).

Оптический дисковод CD/DVD-ROM (Compact Disk/Digital Versatile Disk-Read Only Memory). Устройство для чтения (записи) компакт дисков, принцип действия которого заключается в отражении лазерного луча от поверхности диска для считывания данных. Для записи данных на лазерный диск используется технология «прожигания» специального активного слоя. Интерфейс дисковода является аналогичным интерфейсу жесткого диска.

Дисковод гибких дисков FDD (Floppy Disk Drive). Устройство для хранения и оперативного переноса небольших объемов информации.

Звуковая карта. Служит для выполнения вычислительных операций, связанных с обработкой звука. Основным параметром является разрядность – количество бит для преобразования аналоговой информации в цифровую (и наоборот).

Монитор. Устройство для визуального представления данных. По типу формирования изображения различают мониторы с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) и жидкокристаллические (LCD). Основными параметрами являются: размер экрана по диагонали, частота обновления, разрешающая способность, соответствие стандартам безопасности (эргономическим и экологическим).

Клавиатура – является основным устройством ввода данных и управления клавишного типа.

Адаптеры клавиатуры, дисководов – обеспечивают возможность подключения, управления и взаимодействия внешних устройств ввода-вывода для ПК.

Таймер – внутри машинные электронные часы реального времени. Подключается к автономному источнику питания и продолжает работать и при отключении машины.

Мышь – устройство управления манипуляторного типа.

Дополнительные периферийные устройства. Для расширения функциональных возможностей ПК применяются устройства печати (принтер, плоттер), устройства ввода графических данных (сканер, дигитайзер), устройства хранения данных (стример, карты памяти).

Дата добавления: 2014-01-06