Архитектура персонального компьютера

Магистрально-модульный принцип построения компь­ютера. В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Модульный принцип позволяет потребителю самому ком­плектовать нужную ему конфигурацию компьютера и про­изводить при необходимости её модернизацию.

Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шинуад­ресаи шину управления, которые представляют собой многопроводные линии.

К магистрали подключа­ются процессори оператив­ная память, а также периферийные устройстваввода, вы­вода и хране­ния информации, которые обмениваются ин­формацией на машинном языке (последовательностями ну­лей и единиц в форме электрических импульсов).

Шина данных. По этой шине данные передаются ме­жду различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процес­сору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хра­нения. Таким образом, данные по шине данных могут пе­редаваться от устройства к устройству через области опе­ративной па­мяти.

Разрядность шины данных определяется разрядно­стью процессора, то есть количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или передаваться процес­со­ром одновременно. Разрядность процессоров постоянно увеличивается по мере развития компьютерной техники.

Шина адреса. Выбор устройства или ячейки па­мяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устрой­ство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес пе­редаётся по адресной шине, причем сигналы по ней переда­ются в одном направлении – от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).

Разрядность шины адреса определяет объем адре­суе­мой памяти (адресное пространство), то есть количе­ство однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса.

Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчи­тать по формуле: N=2I, где I – разрядность шины адреса.

Пример: Разрядность шины адреса постоянно увели­чива­ется и в процессорах Pentium Extreme Edition состав­ляет 64 бита. Таким образом, количество адресуемых ячеек па­мяти в таких процессорах равно: N=264 ячеек.

Шина управления. По шине управления переда­ются сигналы, определяющие характер обмена информа­цией по магистрали. Сигналы управления показывают, ка­кую опера­цию – считывание или запись информации из памяти –нужно производить, синхронизируют обмен ин­формацией между устройствами и так далее.

Важнейшим аппаратным компонентом компьютера является системная плата. На системной плате реализо­вана магистраль обмена информацией, имеются разъёмы для ус­тановки процессора, слоты для установки оператив­ной па­мяти, а также контроллеров внешних устройств. Кроме тер­мина «системная плата», используется назва­ние «материнская плата» (Motherboard).

 

Рисунок 4 – Материнская плата

 

Еще 10-15 лет назад системные платы персональных компьютеров строились на основе цифровых микросхем ма­лой и средней степени интеграции (вентилей, триггеров, ре­гистров и т.п.). И если бы тебе пришлось иметь дело с ком­пьютерами ХТ/АТ, тогда ты бы увидел системную плату с полутора-двумя сотнями корпу­сов интегральных схем.

Пропускная способность. Быстродействие устрой­ства зависит от тактовой частоты тактового генератора (обычно меряется в мегагерцах – МГц) и разрядность, т.е количество битов данных, которые устройство может об­ра­батывать или передавать одновременно (измеряется в би­тах). Дополнительно в устройствах используется внут­реннее умножение частоты с разными коэффициентами.

Соответственно, скорость передачи данных (пропу­скная способность шины данных измеряется в бит/с) равна произведению разрядности шины (измеряется в битах) и частоты шины (измеряется в Гц = 1/ с): Пропускная способ­ность шины = Разрядность шины ⋅Частота шины.

Северный и южный мосты. Для согласования так­то­вой частоты и разрядности устройств на системной плате устанавливают специальные микросхемы, вклю­чающие в себя контроллер оперативной памяти и видеопа­мяти (так называемый северный мост) и контроллер пери­ферийных устройств (южный мост).

Северный мост – это системный контроллер, являю­щийся одним из элементов чипсета материнской платы, от­вечающий за работу с оперативной памятью (RAM), видео­адаптером и процессором (CPU).

Одной из основных функций северного моста явля­ется обеспечение взаимодействия системной платы и про­цессора, а также определение скорости работы. Частью се­верного моста во многих современных материнских платах является встроенный видеоадаптер. Таким образом, функ­циональная особенность северного моста являет собой ещё и управление шиной видеоадаптера и её быстродействием. Также северный мост обеспечивает связь всех вышепере­численных устройств с южным мостом.

Северный мост получил свое название благодаря «географическому» расположению на материнской плате. Внешне это квадратной формы микрочип, расположенный под процессором, но в верхней части системной платы.

Южный мост – это функциональный контрол­лёр, из­вестен как контроллер ввода-вывода.

Как правило, выход из строя южного моста ставит точку в жизни системной платы.

Частота процессора. Северный мост обеспечивает обмен данными с процессором, оперативной памятью и ви­деопамятью. Частота процессора в несколько раз больше, чем базовая частота магистрали.

Частота процессора – это количество синхро­низи­рующих импульсов в секунду.

Основные устройства компьютера. Компьютер яв­ляется модульным прибором. Он со­стоит из различных уст­ройств (модулей), каждое из кото­рых выполняет свои за­дачи.

Поскольку компьютер предназначен для получения, обработки, хранения, передачи и использования информа­ции, то у него должны быть блоки, предназначенные для каждой из этих задач.

Устройства компьютера бывают основные и допол­нительные. Основными являются:

1. Системный блок (это, собственно, и есть компью­тер или его «мозг»).

2. Монитор (осуществляет вывод информации на эк­ран).

3. Клавиатура (служит для ввода символов и ко­манд).

4. Манипулятор типа «мышь» (предназначен для ввода команд).

Ноутбук отличается от стационарного компьютера тем, что:

- системный блок и клавиатура совмещены (на­хо­дятся «в одном флаконе»). Монитор, клавиатура и вся «на­чинка» собраны в общем корпусе.

- у ноутбука есть собственный аккумулятор («бата­рейка»), поэтому некоторое время он может работать авто­номно, без подключения к электрической сети. Ноут­бук работает и от электросети через внешний блок пита­ния, который является одновременно «зарядкой» для бата­реи.

Рассмотрим основные устройства компьютера, о сис­темном блоке поговорим в следующей статье.

Монитор внешне напоминает телевизор. ЭЛТ-теле­ви­зоры выглядят так же, как и ЭЛТ-мониторы (с элек­тронно-лучевой трубкой).

ЖК-телевизоры как близнецы-братья похожи на ЖК-мониторы (жидкокристаллические мониторы).

Размеры мониторов, так же как и размеры экрана у телевизоров, определяются длиной диагонали экрана в дюймах – 14, 15, 17, 19, 21, 23, 27 дюйм. Один дюйм равен 2,54 сантиметра. Соответственно, монитор с диагональю 15 дюймов – это ничто иное, как монитор с диагональю 38 сан­тиметров (если 15 дюймов умножить на 2,54 санти­метра, получится 38 сантиметров).

Монитор подключается к компьютеру через видео­карту. В настоящее время наиболее распространены 17-дюймовые мониторы. Для постоянной работы с графикой, чертежами, большими таблицами (в общем, везде, где много мелких деталей) лучше приобретать мониторы больших размеров.

Монитор (как с ЭЛТ, так и ЖК) может использо­ваться не только в составе компьютера, но и как телевизор при подключении к нему дополнительного устройства (ТВ-тюнера). Поэтому старый монитор можно использо­вать в качестве телевизора, например, на даче.

Современная клавиатура является воплощением мечты любой машинистки. Мышка появилась значительно позднее клавиатуры.

Можно обойтись и без мышки, используя сочетания (комбинации) клавиш. Однако есть множество вещей, ко­торые мышкой делать удобнее и быстрее.

Клавиатура и мышь. Сейчас очень много разных мышей: от простой двухкнопочной до пятикнопочной с ко­лесом про­крутки.

Мышки могут быть с проводкой или без нее. Ино­гда нужен специальный коврик для мышки, иногда нет. На спинке у мышки может быть колесо прокрутки (может его и не быть), а также есть две или больше кнопок.

Скоро появятся манипуляторы типа мышь, которые надеваются на руку как перчатки. С такой мышкой можно без лишних движений переключаться между использова­нием манипулятора и печатью на клавиатуре.

Кроме мышки к средствам манипулирования можно отнести различные джойстики, рули с педалями, штур­валы, но они предназначены в основном для управления игровым процессом.

Если основных устройств недостаточно, то для вы­полнения специальных задач к компьютеру подключают дополнительное оборудование.

Наrdwаrе – аппаратные средства т.е. механические, электрические и электронные узлы и компоненты компью­тера.

Основные устройства компьютера:

1. Микропроцессор.

2. Память компьютера (внутренняя и внешняя).

3. Устройства ввода информации.

4. Устройства вывода информации.

5. Устройства передачи и приема информации.

Системный блок содержит такие основный уст­рой­ства ПК как системная плата с процессором и ОП, на­копи­тели на магнитных дисках, CD-ROM, блок питания.

Материнская (системная) плата – основной ап­па­ратный компонент где находятся разъемы для установки микропроцессора, оперативной памяти, кварцевый резона­тор, базовая система ввода-вывода BIOS, вспомогательные микросхемы, интерфейс ввода-вывода (последовательный порт, параллельный порт, интерфейс клавиатуры, диско­вый интерфейс и тд.) и шина.

Часть технического обеспечения, конструктивно от­деленных от основного блока компьютера назы­вают пери­ферийными (устройства ввода-вывода)

Для подключения устройств ввода-вывода на сис­темном блоке имеются разъемы различных портов:

СОМ - Последовательные порты. Передают после­до­вательно электрические импульсы, несущие информа­ции. К ним обычно подключают мышь и модем.

LPT - Параллельный порт. Передает одновременно 8 электрических импульсов. Реализует более высокую ско­рость информации, используют для подключения прин­тера.

USB - Последовательная универсальная шина (Universal Serial Bus) – обеспечивает высокоскоростное подключение не­скольких периферийных устройств (ска­нер, цифровая камера и т.д.).

Периферийные устройства персонального ком­пь­ютера. Современные персональные компьютеры обычно имеют в своем распоряжении множество периферийных устройств.

Периферийные устройства – это любые дополни­тельные и вспомогательные устройства, которые подклю­чаются к ПК для расширения его функциональных воз­мож­ностей.

Рассмотрим некоторые из периферийных устройств.

Принтер (print – печатать) – устройство для вывода на печать текстовой и графической информации. Прин­теры, как правило, работают с бумагой формата А4 или А3. Наи­более распространены на сегодняшний день лазер­ные и струйные принтеры, матричные принтеры уже вы­шли из обихода.

В матричных принтерах печатающая головка со­стояла из ряда тонких металлических иголок, которые при движении вдоль строки в нужный момент ударяли через красящую ленту, и тем самым обеспечивали формирование символов и изображения. Матричные принтеры обладали низкой скоростью и качеством печати.

В струйных принтерах краска под давлением вы­бра­сывается из отверстий (сопел) в печатающей головке и за­тем прилипает к бумаге. При этом формирование изо­браже­ния происходит как бы из отдельных точек – "клякс". Для струйных принтеров характерна высокая стоимость расход­ных материалов.

В лазерных принтерах луч лазера, пробегая по ба­ра­бану, электризует его, а наэлектризованный барабан притя­гивает частицы сухой краски, после чего изображе­ние пере­носится с барабана на бумагу. Далее лист бумаги проходит через тепловой барабан и под действием тепла краска фик­сируется на бумаге. Лазерные принтеры обла­дают высокой скоростью и качеством печати.

Плоттер (графопостроитель) – устройство для вы­вода на бумагу больших рисунков, чертежей и другой гра­фической информации. Плоттер может выводить графиче­скую информацию на бумагу формата А2 и больше. Кон­ст­руктивно в нем может использоваться или барабан ру­лон­ной бумаги, или горизонтальный планшет.

Сканер (scanner) – устройство, позволяющее вво­дить в компьютер графическую информацию. Сканер при движе­нии по картинке (лист текста, фотография, рисунок) преоб­разует изображение в числовой формат и отображает его на экране. Затем эту информацию можно обработать с помо­щью компьютера.

Манипулятор мышь (mouse) – устройство, облег­чающее ввод информации в компьютер.

Дисковод CD-ROM – устройство для чтения ин­фор­мации, записанной на лазерных компакт-дисках (CD ROM – Compact Disk Read Only Memory, что в переводе оз­начает компакт-диск с памятью только для чтения). На компакт-дисках можно хранить большое количество ин­формации (до 650 Мбайт). Такие диски используются для хранения спра­вочной информации, больших энциклопе­дий, баз данных, музыки, видеоинформации и т.д.

Основной показатель для дисковода CD-ROM – это скорость считывания информации с компакт-диска.

Дисковод DVD является дальнейшим развитием ла­зерных технологий. В нем применяется усовершенство­ван­ная технология использования лазерного луча для за­писи и чтения информации с компакт-дисков. Аббревиа­тура DVD означает Digital Video Disk (цифровой видеодиск) или в дру­гой трактовке – Digital Versatile Disk (цифровой многоцеле­вой диск).

В отличие от дисков CD-ROM диски DVD могут ис­пользовать для работы обе поверхности. Причем техно­логия позволяет записывать на каждой из сторон два слоя данных.

 ЛЕКЦИЯ 5