Канал прямого доступа к памяти

DMA (Direct Memory Access) - позволяет вести обмен данными между памятью и устройствами ввода-вывода напрямую, минуя центральный процессор. Изначально было 4 канала передачи (микросхема i8237), один из которых использовался для регенерации памяти.

В системе PC AT был добавлен второй контроллер прямого доступа и стал возможным блочный механизм обмена данными. Контроллеры прямого доступа находятся в адресном пространстве устройств ввода-вывода.

Системный таймер

Предназначен для отсчета временных интервалов.

Изначально построен на основе трехканальной схемы программируемого таймера счетчика схемы i8253 (в PC AT - i8254). Находится в адресном пространстве устройств ввода-вывода.

Системная шина

Т.к. открытая архитектура IBM предполагает блочно-модульную компоновку системы, состоящую из многих компонентов, то для информационного обмена между компонентами системы была выбрана системная шина ISA (Industry Standard Architecture).

 

 

Изначально использовалась 8 разрядная шина, позже - 16-разрядная (16 линий адресов, 24 линии данных).

Для соединения блоков компьютера используются системные разъемы, к которым подключается шина. Технические детали системных разъемов строго регламентированы, что обеспечивает полную аппаратную и программную совместимость различных систем ПК.

Канал параллельной передачи данных - LPT

Через канал LPT подключаются разнообразные периферийные устройства - принтеры, сканеры, внешние накопители.

За системную поддержку параллельных портов отвечает BIOS Int 17h. Он выполняет поиск имеющихся портов, их инициализацию, опрос состояния подключенных устройств, прием и передачу информации. Сервис поддерживает до трех портов - LPT 1, LPT 2, LPT 3.

Обмен данными с подключенными устройствами может вестись в однонаправленном (SPP) или двунаправленном (EPP, ECP) режимах.

Для параллельных портов используются прерывания IRQ 5 и IRQ 7.

Параллельный порт, как правило, встраивается в материнскую плату. В большинстве случаев система имеет один параллельный порт.

Канал последовательной передачи данных - COM

Предназначен для ведения последовательного асинхронного обмена по стандарту RS-232C.

Системная поддержка ведется при помощи BIOS Int 14h. Он выполняет поиск имеющихся портов, их инициализацию, опрос состояния подключенных устройств, прием и передачу информации. Сервис поддерживает до четырех портов - COM 1, COM 2, COM 3, COM 4.

Для последовательных портов используются прерывания IRQ 3 и IRQ 4.

Последовательный порт, как правило, встраивается в материнскую плату.

Игровой порт

Название говорит само за себя. Игровой порт служит для подключения игровых устройств - джойстика, игрового руля и проч. Интерфейс порта поддерживает 4 сигнала от координатных датчиков и 4 линии от кнопок.

Видеосистема

Изначально, когда количество видеорежимов было ограниченным, компьютер использовал поддержку видеосистем типа MDA и CGA. BIOS Int 10h идентифицировал тип системы, устанавливал видеорежим, осуществлял вывод информации на экран монитора. Позже появились видеосистемы типа EGA и VGA. Специально под них был разработан блок ПЗУ, содержащий расширение BIOS. В Video BIOS включены все программные средства, осуществляющие аппаратные настройки видеоконтроллера.

Клавиатура

 

Изначально клавишная матрица включала 83/84 кнопки. Нажатие кнопки вызывало формирование скан-кода, который передавался на входной порт системного регистра, после чего формировался код нажатой клавиши и передавался для дальнейшей обработки компьютерной системой.

В более поздних системах обработку данных клавиатуры производит специализированных контроллер (микросхема i8042). Количество клавиш увеличено до 101/102, при этом полностью сохранена совместимость с предыдущей версией.

Процесс развития архитектуры персональных компьютеров показал жизнеспособность одних решений, которые получили свое развитие в дальнейшем с одной стороны, и с другой, те решения, которые утратили свою актуальность канули в небытие. Например, утратили свою актуальность:

· современные процессоры используют принципиально новую архитектуру;

· системная шина ISA больше не используется;

· устарели первоначальные версии BIOS;

· пропускная способность портов COM, LPT оказалось недостаточной.

На смену устаревшим аспектам пришли новые:

· новые процессоры значительно повысили свою производительность, сохранив при этом полную совместимость с ранними версиями;

· появились более производительные системные шины - VLB, PCI, PCI-Express;

· появились новые порты с гораздо большей пропускной способностью - USB, Fire-Wire;

· современные системы расширены поддержкой новых сервисов - аудио, 3D, поддержка сети и проч.

Но, несмотря на такое серьезное обновление и прогресс, базовые компоненты системы сохранились в первозданном виде и не претерпели переделок, обеспечив тем самым полную совместимость новых версий со старыми.

 

Закрытая архитектура Apple

Логично предположить, что раз есть "открытая" архитектура, должна быть и "закрытая" архитектура. Так оно и есть на самом деле. Закрытую архитектуру представляет фирма Apple и ее компьютеры Macintosh.

В 1975 году два Стива - Джобс и Возняк, продав все дорогие вещи, которые были у них в наличии (выручив при этом 1300 долларов) в гараже собрали первый Apple-I. Компьютер получился довольно удачным и на порядок превосходил существующие в то время аналоги. Продав порядка 100 штук компьютеров по цене $666,66, два Стива смогли сосредоточиться на развитии своей идеи. Они начали искать серьезного инвестора для своего бизнеса, который в скором времени был найден. Им стал Майк Маркулл, который инвестировал $92 000, получив 1/3 всех акций фирмы Apple, и помог начинающим бизнесменам с деньгами для развития производства и рекламной кампании.

В 1977 году была зарегистрирована фирма Apple Computer Inc., и в этом же году вышла новая версия компьютера - Apple-II, которая была полностью законченным продуктом, имела устройства ввода информации и ее отображения, на нем было размещено системное и прикладное программное обеспечение. Стоимость Apple-II составила $1300. В преддверии продаж была проведена широкомасштабная рекламная кампания, которая принесла свои плоды, продажи исчислялись десятками, а вскоре, сотнями тысяч.

Следующее поколение компьютеров фирмы Apple получило название Macintosh (apple - яблоко; Макинтош - сорт яблок).

Эмблемой фирмы стало надкушенное яблоко. Почему надкушенное? В Полинезии есть обычай предлагать гостю фрукты. Но, хозяин должен быть уверен в качестве предлагаемого угощения. Самым надежным способом проверки является непосредственная проба предлагаемого продукта. Поэтому, ваза надкушенных яблок для гостя - высшая форма проявления уважения.

Поместив надкушенное яблоко на лицевую панель своих изделий, фирма Apple тем самым говорит, что пользователю предлагается продукт высшего качества, который был проверен и подтвердил свое реноме.

На пике своей популярности фирма Apple держала порядка 30% компьютерного рынка. Но, в связи с тотальным наступлением IBM-совместимых компьютеров, доля Apple сократилась на порядок. Но, не смотря на столь скромный сегмент компьютерного рынка, следует отметить, что Apple является единственным конкурентом IBM-компьютерам, который сумел выжить и войти в 21 век.

Чем же хороша или плоха закрытая архитектура компьютеров фирмы Apple, каковы ее особенности?

Компьютер Apple-I был построен на базе процессора i8080. Apple-II использовал процессор фирмы Motorola, позже ему на смену пришел PowerPC.

Как правило, конструкция системы одноплатная.

 

 

Компьютеры выпускаются в довольно ограниченном количестве конфигураций, которые пользователь изменить не может. По сути дела, модернизация компьютеров невозможна. Этот факт "развязывает" руки разработчикам, которые не находятся в жестких рамках многочисленных нормативов.

Поскольку аппаратная конфигурация компьютера неизменна - нет надобности в ее инициализации при загрузке, следовательно, нет никаких проблем установки любого совместимого программного обеспечения.

Отличительной особенностью компьютеров фирмы Apple является тот факт, что все компоненты фирма производит сама - отсюда гарантия высочайшего качества продукции.

Изначально на Маках установлено все необходимое ПО, пользователям незнакома процедура установки и обновления драйверов.

Изначально производительность Маков была несколько выше PC-шных аналогов, но затем ситуация выровнялась.

Ну, и самой отличительной особенностью Маков является их элегантный дизайн. Понятия Apple и элегантность всегда стояли рядом. В компьютерном мире Macintosh - символ изящества и совершенства форм.

Фирма Apple имеет сильные позиции в области компьютерного дизайна, полиграфии и обучающих программ. В США в свое время большое количество Маков было бесплатно передано в образовательные учреждения - как известно, взрослые привычки закладываются в детском возрасте. Не удивительно, что в США количество пользователей Маков среди взрослого населения (порядка 3,5%) значительно превышает процент в других странах мира. Упор на дизайн и полиграфию также был сделан не просто так. Как известно, творческие люди, занимающиеся изящной организацией пространства, выбирают элегантные вещи. Красивый и удобный инструмент стимулирует творческий процесс, создает атмосферу гармонии.

Основными "негативными" факторами широкого распространения Маков (особенно в странах бывшего СССР), помимо невозможности изменения конфигурации компьютера, являются дороговизна Macintosh и практическая невозможность получения контрафактного (пиратского) ПО. По статистике в России доля Макинтошей находится в пределах 1% - в основном в Москве.

 

Как работает компьютер

Как уже было сказано ранее, открытая архитектура и блочно-модульный принцип организации IBM-компьютеров стали решающими факторами, позволившими им ныне безраздельно господствовать на рынке компьютерной техники. Давайте же рассмотрим, из каких блоков и модулей собирается современный компьютер и как организована его работа, которая показана схематически ниже.

Центральный процессор ("камень" в жаргонном лексиконе компьютерщиков) - "мозги" компьютера. Именно в центральном процессоре происходят основные вычисления, ради которых, собственно и придумывался компьютер, чтобы облегчить жизнь человека. Физически центральный процессор (микропроцессор) выполняется в виде большой интегральной схемы (БИС), которая устанавливается в соответствующий разъем на материнской плате. Сверху на процессор обязательно крепится радиатор и кулер (вентилятор), которые охлаждают процессор, т.к. тот в процессе работы выделяет достаточно много тепла.

Память - то "место", где хранится разнообразная информация (данные, программные коды), предназначенная для центрального процессора (и не только), а также результаты произведенных им вычислений. Компьютерная память бывает двух видов: ПЗУ (постоянно-запоминающее устройство) и ОЗУ (оперативно-запоминающее устройство).

ПЗУ можно только считывать. Как правило, ПЗУ применяется для начальной загрузки компьютера. В ПЗУ хранятся специальные инструкции (BIOS), которые управляют в момент включения питания работой компьютера и "рассказывают" ему, что он должен делать. Физически ПЗУ выполняется в виде микросхемы, которая впаивается в материнскую плату.

Информацию ОЗУ можно не только считывать, но и записывать. Более того, скорость работы ОЗУ напрямую влияет на производительность всей компьютерной системы в целом. Можно сказать, что в ОЗУ хранится вся информация, необходимая для работы компьютера в данный момент и с которой пока (или уже) не работает центральный процессор. Физически ОЗУ выполняется в виде отдельных модулей, которые устанавливаются в специальные разъемы (слоты) материнской платы.

Отдельные модули и блоки компьютера должны каким-то образом обмениваться между собой информацией. Для этой цели служат специальные информационные линии, которые принято называть шинами.

Шина данных - информационная линия (канал), по которой идет передача электрических сигналов в обоих направлениях.

Адресная шина - информационный канал, который передает адрес ячейки памяти, в которую (из которой) будет производиться запись (чтение) информации. Каждая ячейка памяти имеет свой уникальный адрес, по которому идет обращение к памяти.

Шина управления указывает, какое именно действие будет производиться: чтение или запись.

Такая организация работы компьютера называется трехшинной архитектурой. Физически шина - это обыкновенный "кусок" изолированного провода, который выполнен в виде ленточного жгута (шлейфа) или в виде металлических дорожек на системной плате.

Все вышеперечисленные компоненты находятся в "железном ящике", который называется системным блоком, который содержит блок питания, питающий все модули компьютера.

Для того, чтобы с компьютером можно было "общаться" нужны средства ввода и вывода информации.

Информация вводится в компьютер посредством клавиатуры (с мышью), флоппи-дисков (которые практически ушли в прошлое), компакт-дисков, флэш-памяти и других подключаемых внешних устройств.

Вывод информации производится через монитор, принтер (другие устройства).

Все внешние устройства, которые подключаются к системному блоку компьютера управляются через контроллеры - специальные аппаратные устройства, имеющие соответствующие разъемы для подключения того или иного внешнего устройства. Контроллеры работают под специальными управляющими программами - драйверами. Драйвер "рассказывает" контроллеру как компьютер должен правильно обмениваться информацией с соответствующим подключенным внешним устройством. Без правильно установленного драйвера ни принтер, ни сканер, ни монитор не будет работать. Физически контроллеры выполнены в виде специальных разъемов, установленных либо на материнской плате, либо непосредственно на системном блоке компьютера.

Отдельной важной деталью компьютера является жесткий диск ("винчестер", "винт"), который находится внутри системного блока, но подключен к общей системе также через контроллер. Винчестер имеет очень большой объем хранения данных (современные жесткие диски уже измеряются в терабайтах - миллионах мегабайтов). На жестком диске хранится вся информация, предназначенная для работы конкретного компьютера. Физически жесткий диск выполнен в виде закрытого модуля размером примерно двух-трех сигаретных пачек.

Когда вышеперечисленные модули собраны воедино, правильно подключены и корректно установленно нужное программное обеспечение - компьютер готов к работе. Опытный пользователь из работоспособных комплектующих соберет и настроит компьютер в течение 3-5 часов.

 

Блок питания компьютера

Блок питания компьютера очень важная деталь! От того насколько стабильно работает БП в условиях наших ужасных электрических цепей зависит общая стабильность работы всего компьютера. Задача БП, в общем-то, довольно проста, - надо преобразовывать входное переменное напряжение 220В в несколько низковольтных, стабилизировать их и подавать в нужные цепи компьютера. Но, есть и ряд дополнительных немаловажных требований:

1. обеспечивать требуемую мощность;

2. удерживать выходные напряжения в установленных пределах при разных уровнях нагрузки;

3. быть пожаробезопасным и электробезопасным;

4. иметь низкий уровень рабочих шумов и температур.

 

Существует две схемы построения блоков питания: линейная и импульсная.

Линейный блок питания

Схема проста и традиционна: входное напряжение подается на первичную обмотку понижающего трансформатора; с вторичной обмотки пониженное напряжение снимается и подается на выпрямитель, а затем - на стабилизатор.

Достоинства линейного блока питания:

· простота;

· стабильность;

· быстрая реакция на изменение нагрузки.

 

Недостатки:

· громоздкость силового трансформатора;

· значительное тепловыделение;

· низкий КПД;

· чувствительность к качеству входного напряжения.

Импульсный блок питания

 

 

Входное переменное напряжение сети (~220V) подается непосредственно на выпрямитель импульсного блока питания.

На выходе выпрямителя получаем постоянное напряжение 300V, которое заводится в блок ключей, построенный на мощных транзисторах. Работой транзисторов управляет генератор, работающий на частоте 60 кГц.

На выходе блока ключей получаем последовательность импульсов, которые подаются на первичную обмотку силового трансформатора. На вторичной обмотке силового трансформатора формируются базовые напряжения +5V и +12V, которые подаются на блок выпрямителей и стабилизаторов.

На выходе стабилизатора-выпрямителя имеем готовые стабилизированные напряжения для питания компьютерных узлов.

Достоинства импульсного блока питания:

· высокий КПД (транзисторы практически не греются);

· слабая чувствительность к качеству входной сети;

· малые размеры и масса.

 

Недостатки:

· сложная электросхема;

· необходимость блока электронного управления.

 

Рассмотрим более подробно работу отдельных узлов импульсного блока питания.

Входной фильтр-выпрямитель

 

Фильтр состоит из индуктивно-емкостных цепей, которые не пропускают сетевые помехи в блок и не дают "выйти" высокочастотным помехам в обратном направлении. Выпрямитель преобразует переменное напряжение сети 220V в постоянное напряжение 300V и подает его на блок управления и блок ключей.

Блок ключей

Состоит из транзисторов, которые управляются (открываются или закрываются) генератором. В результате входное постоянное напряжение преобразуется в последовательность импульсов (отсюда и название "импульсный блок питания").

Генератор

Управляющие импульсы генератора открывают транзисторы, в результате чего на первичную обмотку силового трансформатора поступает напряжение. Запитывается генератор с блока управления. По сигналу материнской платы Power On генератор может выключаться (сигналы не будут подаваться на блок ключей, и транзисторы не будут открываться), при этом компьютер переходит в спящий режим.

Генератор работает в режиме обратной связи, получая сигналы с выходного блока выпрямителей. В зависимости от этих сигналов генератор регулирует время открытого состояния транзисторов блока управления.

Силовой трансформатор

Высокочастотные импульсы с блока ключей подаются на первичную обмотку силового трансформатора, который понижает входное напряжение и имеет две вторичных обмотки с напряжениями +5 V и + 12V. Размеры силового импульсного трансформатора в несколько раз меньше низкочастотного трансформатора аналогичной мощности.